CN104635343A - 折反式可变倍激光扩束准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折反式可变倍激光扩束准直系统，所述扩束准直系统由折射组件与反射组件构成，折射组件由第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜组成；反射组件由第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜构成；激光器发射出的单色高斯光束经过第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜后完成初级准直扩束，扩束后的平行光经过第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜后完成二级准直扩束。该系统可为波长为0.6328微米的He—Ne激光器提供6—30倍的连续变倍扩束，具有结构简单、扩束倍率高、无中心遮拦、无实会聚焦点、可应用于高功率激光器扩束的优点。

Description

折反式可变倍激光扩束准直系统

技术领域

本发明属于光学设计领域，涉及一种激光扩束准直系统。

背景技术

传统激光扩束系统一般分为折射式激光扩束系统和反射式激光扩束系统。

折射式激光扩束系统主要包括两种形式：一种是由正透镜与负透镜构成的伽利略望远镜式，一种是由两个正透镜构成的开普勒望远镜式。这两种反望远镜式激光扩束系统的扩束倍率与前后两个透镜的口径有关，系统要取得大扩束倍率必须采用较大口径的透镜，而大口径的透镜往往存在难以加工的问题，故一般折射式激光扩束系统的最大变倍比率难以提高。

反射式激光扩束系统有牛顿式、卡塞格林式、格里高利式等类型，这些类型的扩束系统虽然可以做到大扩束倍率，但是都存在中心遮拦，而一般激光束的能量集中在中心区域，所以这种类型的扩束系统效率不高；而且反射式系统难以做成变焦形式，如果对激光器发出的光束有不同的扩束倍率要求，若采用固定倍率的扩束镜，需要配置多套扩束系统。

发明内容

为了弥补传统折射式或反射式激光扩束系统的不足，本发明提供了一种具有高扩束倍率并且扩束倍率可调节的折反式可变倍激光扩束准直系统。该系统可为波长为0.6328微米的He-Ne激光器提供6-30倍的连续变倍扩束，具有结构简单、扩束倍率高、无中心遮拦、无实会聚焦点、可应用于高功率激光器扩束的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种折反式可变倍激光扩束准直系统，由折射组件与反射组件构成，其中：折射组件由第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜组成；反射组件由第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜构成；激光器发射出的单色高斯光束经过第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜后完成初级准直扩束，扩束后的平行光经过第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜后完成二级准直扩束，完成准直扩束。

本发明中，所述第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜的非球面系数应满足下列公式：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{y}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Dy}}^2+{\mathrm{Ey}}^6+{\mathrm{Fy}}^8+{\mathrm{Gy}}^{10}+{\mathrm{Hy}}^{12}+{\mathrm{Iy}}^{14};$

其中：z是非球面在光轴方向上的矢高，c是非球面顶点的曲率半径，k是二次常数，y是轴向距离，非球面系数D、E、F、G、H、I至少一个不为零。

本发明中，所述第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜均由Nd＝1.52，Vd＝64.2的材料制成。

本发明中，所述系统的工作波长是632.8nm。

本发明中，所述系统中无实会聚焦点、可应用于高功率激光器扩束。

本发明中，所述第四离轴双曲面反射镜的离轴量为68mm。

本发明中，所述第五离轴抛物面反射镜的离轴量为200mm。

本发明具有如下优点：

1、本发明采取了折反式结构，在扩束倍率可调节的同时提供较大的扩束倍率。

2、本系统的透射组件由三片透镜组成，具有结构简单、装调方便的优点。

3、折射组件采取离轴式设计，有效消除了中心遮拦。

4、本系统中无实会聚焦点、可应用于高功率激光器扩束。

附图说明

图1为折反式可变倍激光扩束准直系统的组成及工作原理示意图，图中：1为第一平凸球面透镜、2为第二折射高次非球面平凹透镜、3为第三平凸折射高次非球面透镜、4为第四离轴双曲面反射镜、5为第五离轴抛物面反射镜；

图2为折射组件示意图，图中：d1为第一平凸球面透镜1的中心厚度，d2为第二折射高次非球面平凹透镜的中心厚度，d3为第三平凸折射高次非球面透镜的中心厚度，d12为第一平凸球面透镜后表面与第二折射高次非球面平凹透镜前表面的距离，d23为第二折射高次非球面平凹透镜后表面与第三平凸折射高次非球面透镜前表面的距离，R11为第一平凸球面透镜前表面曲率半径，R12为第一平凸球面透镜后表面曲率半径，R21为第二折射高次非球面平凹透镜前表面曲率半径，R22为第二折射高次非球面平凹透镜后表面曲率半径，R31为第三平凸折射高次非球面透镜前表面曲率半径，R32为第三平凸折射高次非球面透镜后表面曲率半径；

图3为反射组件示意图，图中：d45为第四离轴双曲面反射镜后表面中心与第五离轴抛物面反射镜前表面中心的距离，R4为第四离轴双曲面反射镜后表面曲率半径，R5为第五离轴抛物面反射镜前表面曲率半径；

图4为折射组件变倍工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1-4所示，本发明提供的折反式可变倍激光扩束准直系统由折射组件与反射组件构成，其中：折射组件由第一平凸球面透镜1、第二折射高次非球面平凹透镜2、第三平凸折射高次非球面透镜3组成；反射组件由第四离轴双曲面反射镜4、第五离轴抛物面反射镜5构成；激光器发射出的单色高斯光束经过第一平凸球面透镜1、第二折射高次非球面平凹透镜2、第三平凸折射高次非球面透镜3后完成初级准直扩束，扩束后的平行光经过第四离轴双曲面反射镜4、第五离轴抛物面反射镜5后完成二级准直扩束，完成准直扩束。

本系统倍率的调整方法是保持第二折射高次非球面平凹透镜2与第四离轴双曲面反射镜4、第五离轴抛物面反射镜5不移动。先移动第一平凸球面透镜1，调节第一平凸球面透镜1后表面与第二折射高次非球面平凹透镜2前表面的距离d12，此时像面会发生变化，再移动第二折射高次非球面平凹透镜2，调节第二折射高次非球面平凹透镜2后表面与第三平凸折射高次非球面透镜3前表面的距离，将像面移回无穷远处，实现激光束的扩束变倍。

表1折射组件光学系统数据

表2折射组件R21、R32表面参数

表面

k

D

E

F

G

H

I

R21

0

-0.002028817

0.00010962523

-4.4342817e-005

-6.4201889e-006

-2.3803462e-006

-1.1905532e-006

R32

0

2.793009e-005

2.7646422e-009

8.6789597e-011

2.4632339e-014

7.9399887e-017

-4.3712726e-020

d12和d23间隔可调，当扩束倍率M在6-30区间连续改变时，d12取值范围为68.85-171.96mm，d23取值范围为171.96-185.51mm。

表3反射组件光学系统数据

Claims (7)

1.一种折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述扩束准直系统由折射组件与反射组件构成，其中：折射组件由第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜组成；反射组件由第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜构成；激光器发射出的单色高斯光束经过第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜后完成初级准直扩束，扩束后的平行光经过第四离轴双曲面反射镜、第五离轴抛物面反射镜后完成二级准直扩束。

2.根据权利要求1所述折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜的非球面系数满足下列公式：

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+{[1-(1+k)c^2{y}^2]}^{1/2}}+D{y}^4+E{y}^6+F{y}^8+G{y}^{10}+H{y}^{12}+I{y}^{14};$

其中：z是非球面在光轴方向上的矢高，c是非球面顶点的曲率半径，k是二次常数，y是轴向距离，非球面系数D、E、F、G、H、I至少一个不为零。

3.根据权利要求1或2所述的折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述第一平凸球面透镜、第二折射高次非球面平凹透镜、第三平凸折射高次非球面透镜均由Nd＝1.52，Vd＝64.2的材料制成。

4.根据权利要求1所述的折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述扩束准直系统的工作波长是632.8nm。

5.根据权利要求1所述的折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述第四离轴双曲面反射镜的离轴量为68mm。

6.根据权利要求1所述的折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述第五离轴抛物面反射镜的离轴量为200mm。

7.根据权利要求1所述的折反式可变倍激光扩束准直系统，其特征在于所述扩束准直系统的扩束倍率在6-30区间连续改变时，第一平凸球面透镜后表面与第二折射高次非球面平凹透镜前表面的距离取值范围为68.85-171.96mm，第二折射高次非球面平凹透镜后表面与第三平凸折射高次非球面透镜前表面的距离取值范围为171.96-185.51mm。