CN104181693A - 一种衍射极限激光扩束系统及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光加工技术领域，提供了一种衍射极限激光扩束系统，包括沿激光传输方向依次设置的前透镜组和后透镜组；前透镜组包括第一透镜，后透镜组包括第二、第三透镜，第一透镜为双凹型或平凹型负透镜，第二透镜为弯月型或平凹型负透镜，第三透镜为双凸型或平凸型正透镜；前透镜组和后透镜组共焦；衍射极限激光扩束系统对波长为355nm的激光光束的扩束倍率为5～6倍，输出光束接近衍射极限。本发明对各透镜进行上述设置，对波长为355nm的激光实现5～6倍扩束，输出光束接近衍射极限，提高了聚焦光斑的能量密度，并且该扩束系统适合在高功率激光加工设备使用，极大地提高了焦点处的能量密度，进而提高激光加工精度和加工效率。

Description

一种衍射极限激光扩束系统及激光加工设备

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种衍射极限激光扩束系统及激光加工设备。

背景技术

激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，要保证激光聚焦点具有较高的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率。对于同一台激光器，若要提高激光的聚焦能量密度，就是要获得尽可能小的聚焦点。根据衍射极限理论：激光的发散角θ与激光束腰直径w的关系为θ*w＝4λ/π，当使用一定的激光器时，激光的波长λ是一定的，所以，激光的发散角θ与激光束腰直径w的乘积为常数。为了减小聚焦光斑，通常需要减小光发散角同时增大激光光束的直径，从激光器输出的激光光束直径一般都比较小，发散角θ较大，在通过会聚光学系统聚焦之前，一般会要求扩大光束直径以减小发散角θ。通常在激光器和焦距为f的会聚光学系统中加入激光扩束系统，选择适当的扩束倍数β，使激光光束直径扩大到D＝β*w，激光的发散角θ_入仍满足衍射极限理论关系式θ_入*D＝4λ/π，所以，θ_入＝4λ/πD＝θ/β，会聚激光光斑的大小σ＝θ_入*f＝4λf/πD，所以，通过加入一个合适的倍率扩束系统，便可得到理想的聚焦光斑σ以提高工作焦点处的能量密度。但是在实际应用中，激光经过普通的激光扩束系统，光束质量通常都会相应的变差，影响最终精密加工的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种衍射极限激光扩束系统，旨在使激光通过该系统后，光束质量无明显变化，保证精密加工的应用需求，并且可应用于高功率激光加工设备中。

本发明是这样实现的，一种衍射极限激光扩束系统，包括沿激光传输方向依次设置的前透镜组和后透镜组；所述前透镜组包括第一透镜，所述后透镜组包括第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为双凹型或平凹型负透镜，所述第二透镜为弯月型或平凹型负透镜，所述第三透镜为双凸型或平凸型正透镜；所述前透镜组和后透镜组共焦构成伽利略望远镜系统结构；所述衍射极限激光扩束系统对波长为355nm的激光光束的扩束倍率为5～6倍，输出光斑达到衍射极限。

本发明的另一目的在于提供一种激光加工设备，包括激光器、扩束系统及聚焦系统，所述扩束系统采用所述的衍射极限激光扩束系统，所述激光器的输出波长为355nm。

本发明提供的衍射极限激光扩束系统通过对第一透镜、第二透镜及第三透镜进行上述设置，对波长为355nm的激光实现5～6倍扩束，输出光斑达到衍射极限，提高了聚焦光斑的能量密度，进而提高了激光加工精度及工作效率。并且该扩束系统适合在高功率激光加工设备使用，利用该扩束系统，可以使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，极大地提高了激光聚焦时焦点处的能量密度，进而提高激光加工精度和加工效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的衍射极限激光扩束系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的衍射极限激光扩束系统的光路图；

图3是本发明第一实施例提供的衍射极限激光扩束系统的传递函数曲线图；

图4是本发明第一实施例提供的衍射极限激光扩束系统的弥散斑图；

图5是本发明第一实施例提供的衍射极限激光扩束系统的Rayfan(光学系统的综合误差)图；

图6是本发明第二实施例提供的衍射极限激光扩束系统的结构示意图；

图7是本发明第二实施例提供的衍射极限激光扩束系统的传递函数曲线图；

图8是本发明第二实施例提供的衍射极限激光扩束系统的弥散斑图；

图9是本发明第二实施例提供的衍射极限激光扩束系统的Rayfan图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

本发明提供一种衍射极限激光扩束系统，用于激光加工设备中，设置于激光器和聚焦系统之间，对激光光束进行扩束准直处理，以通过聚焦系统实现接近衍射极限的聚焦效果，提高聚焦点的能量密度。请参考图1和图2，该衍射极限激光扩束系统包括沿激光传输方向依次设置的前透镜组和后透镜组，前透镜组包括第一透镜L1，后透镜组包括第二透镜L2和第三透镜L3。第一、第二和第三透镜均采用耐高温光学材料制作。第一透镜L1为双凹型或平凹型负透镜，第二透镜L2为弯月型或平凹型负透镜，第三透镜L3为双凸型或平凸型正透镜。前透镜组和后透镜组共焦构成伽利略望远镜系统结构。该系统对波长为355nm的激光光束进行扩束，扩束倍率可达到5～6倍，输出光斑达到衍射极限，聚焦点能量密度极高，激光加工精度高，并可用于大功率激光加工设备。

以下提供两个具体的实施例对该扩束系统进行进一步说明。

实施例一：

请参阅附图1和2，衍射极限激光扩束系统包括第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，三个透镜的材料均为Nd/Vd＝1.4/67。第一透镜L1和由第二透镜L2及第三透镜L3组成的后透镜组共焦构成伽利略望远镜系统结构。第一透镜L1具有第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2具有第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3具有第五曲面S5和第六曲面S6。第一曲面S1至第六曲面S6沿着激光的传输方向依次设置。第一透镜L1为双凹负透镜，第一曲面S1的曲率半径为-50mm，第二曲面S2的曲率半径为8mm；第二透镜L2为弯月形负透镜，第三曲面S3的曲率半径为91mm，第四曲面S4的曲率半径为36mm；第三透镜L3为双凸正透镜，第五曲面S5的曲率半径为43mm，第六曲面S6的曲率半径为-43mm，各曲率半径的公差为5％。

在上述曲率参数的基础上，对各透镜的厚度和透镜间距进行如下限制，具体的，第一透镜L1的中心厚度d1为1mm，第二透镜L2的中心厚度d3为3mm，第三透镜L3的中心厚度d5为14mm，各中心厚度的公差为5％。第一透镜L1和第二透镜L2的间距d2(第二曲面S2和第三曲面S3之间的距离)为43mm，第二透镜L2和第三透镜L3的间距d4(第四曲面S4和第五曲面S5之间的距离)为2.6mm，各距离的公差为5％。通过对各透镜的表面曲率半径、透镜厚度及透镜间距进行上述设置后，该扩束系统可对355nm的激光实现5倍扩束，系统的入瞳直径为6mm，并且扩束系统的总长可控制为63mm。

以下进一步通过表格清晰示出上述各透镜的规格参数，如表1。

表1.衍射极限激光扩束系统参数表

进一步参考图3，其示出了按照上述参数设计的扩束系统的光学传递函数曲线图，可见空间频率在54lp/mm时其传递函数OTF≥0.2，具有较高的分辨率。进一步参考图4，示出了聚焦点的弥散图，该图表明光斑在艾里斑之内，系统为衍射极限系统，如图5所示的Rayfan图，表明系统已经近理想状态。

本实施例提供的衍射极限激光扩束系统为理想像差校正系统，输出光束接近系统衍射极限，空间分辨率高，聚焦光斑能量密度高，加工精细，工作效率高。

实施例二：

请参阅图6，该衍射极限激光扩束系统包括第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，三个透镜的材料均为Nd/Vd＝1.4/67。第一透镜L1和由第二透镜L2及第三透镜L3组成的后透镜组共焦构成伽利略望远镜系统结构。其中，第一透镜L1为平凹负透镜，第二透镜L2为弯月形负透镜，第三透镜L3为双凸正透镜。具体的，第一曲面S1的曲率半径为∞，即为平面，第二曲面S2的曲率半径为7mm，第三曲面S3的曲率半径为218mm，第四曲面S4的曲率半径为42mm，第五曲面S5的曲率半径为47mm，第六曲面S6的曲率半径为-47mm，各曲率半径的公差为5％。第一透镜L1的中心厚度d1为1mm，第二透镜L2的中心厚度d3为3mm，第三透镜L3的中心厚度d5为13mm，各中心厚度的公差为5％。进一步的，第二曲面S2和第三曲面S3之间的距离d2为43mm，第四曲面S4和第五曲面S5之间的距离d4为1.3mm，各距离的公差为5％。该系统的入瞳直径为6mm，对355nm激光实现6倍扩束。表2示出了该实施例所述扩束系统的各透镜参数。

表2.衍射极限激光扩束系统参数表

参考图7所示的扩束系统的光学传递函数曲线图，可见空间频率在54lp/mm时其传递函数OTF≥0.3，具有较高的分辨率。进一步参考图8，该图表明光斑在艾里斑之内，系统为衍射极限系统，如图9所示的Rayfan图，表明系统已经近理想状态。

根据上述数据可见，本实施例提供的衍射极限激光扩束系统亦为理想像差校正系统，输出光束接近系统衍射极限，聚焦光斑能量密度高，加工精细，系统工作效率高。

本发明提供的衍射极限激光扩束系统通过选择合适的材料结合适用波长，对各透镜形状及表面曲率、间距等参数行上述设置，使输出光束接近衍射极限，提高了聚焦光斑的能量密度，进而提高了激光加工精度及工作效率。并且该扩束系统适合在高功率激光加工设备使用，利用该扩束系统，可以使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，极大地提高了激光聚焦时焦点处的能量密度，进而提高激光加工精度和加工效率。包括上述衍射极限激光扩束系统的激光加工设备也在本发明的保护范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种衍射极限激光扩束系统，其特征在于，包括沿激光传输方向依次设置的前透镜组和后透镜组；所述前透镜组包括第一透镜，所述后透镜组包括第二透镜和第三透镜，所述第一透镜为双凹型或平凹型负透镜，所述第二透镜为弯月型或平凹型负透镜，所述第三透镜为双凸型或平凸型正透镜；所述前透镜组和后透镜组共焦构成伽利略望远镜系统结构；所述衍射极限激光扩束系统对波长为355nm的激光光束的扩束倍率为5～6倍，输出光斑达到衍射极限。

2.如权利要求1所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面。

3.如权利要求2所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一曲面的曲率半径为-50mm，所述第二曲面的曲率半径为8mm，所述第三曲面的曲率半径为91mm，所述第四曲面的曲率半径为36mm，所述第五曲面的曲率半径为43mm，所述第六曲面的曲率半径为-43mm，各曲率半径的公差为5％。

4.如权利要求3所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为1mm，所述第二透镜的中心厚度为3mm，所述第三透镜的中心厚度为14mm，各中心厚度的公差为5％；

所述第二曲面和第三曲面之间的距离为43mm，所述第四曲面和第五曲面之间的距离为2.6mm，各距离的公差为5％。

5.如权利要求4所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述衍射极限激光扩束系统的倍率为5。

6.如权利要求2所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一曲面的曲率半径为∞，所述第二曲面的曲率半径为7mm，所述第三曲面的曲率半径为218mm，所述第四曲面的曲率半径为42mm，所述第五曲面的曲率半径为47mm，所述第六曲面的曲率半径为-47mm，各曲率半径的公差为5％。

7.如权利要求6所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为1mm，所述第二透镜的中心厚度为3mm，所述第三透镜的中心厚度为13mm，各中心厚度的公差为5％；

所述第二曲面和第三曲面之间的距离为43mm，所述第四曲面和第五曲面之间的距离为1.3mm，各距离的公差为5％。

8.如权利要求7所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述衍射极限激光扩束系统的倍率为6。

9.如权利要求2至8任一项所述的衍射极限激光扩束系统，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料为Nd/Vd＝1.4/67。

10.一种激光加工设备，包括激光器、扩束系统及聚焦系统，其特征在于，所述扩束系统采用权利要求1至9任一项所述的衍射极限激光扩束系统，所述激光器的输出波长为355nm。