CN104880807B - 一种用于双波长激光加工的F‑θ光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于双波长激光加工的F‑θ光学镜头，属于光学镜头技术领域。所述双波长激光为波长为500nm～550nm之间的激光和波长为1000nm～1100nm之间的激光；所述F‑θ光学镜头包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜，其中，第一透镜为凹凸型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凹凸型负透镜，第一透镜和第三透镜的光入射面和光出射面均弯向光线传输方向。该光学镜头可以解决目前激光加工过程中加工结构易变形，激光利用效率低等问题，从而满足双波激光加工需求。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，涉及一种用于双波长激光加工的F-θ光学镜头。
背景技术
F-θ光学镜头是通过引入负畸变，来实现光线以恒定的速度移动，即扫描转动的角度与加工面上像点的移动呈线性函数关系，从而实现激光扫描速度可控的一种光学镜头。F-θ光学镜头在如激光焊接、激光切割、激光打标、激光3D打印等激光加工有着广泛的应用。
目前，激光加工的F-θ光学镜头基本都采用单一波长的激光光源。在实际激光加工应用中，单波长激光加工是快热快冷的过程，会造成较大的温度梯度和热应力，使得被加工结构出现变形，并且激光利用效率较低。如在激光3D打印领域，为解决上述问题，段宣明等提出了一种多波长激光选区快速成形系统及方法(公开号：CN 104190928 A，公开日期：2014年12月10日)。利用短波长的激光束进行激光选区熔化成形，利用与之共轴叠加的长波长激光器进行预热和后续的热处理。短波长激光束的聚焦光斑尺寸小、光子能量高，有利于提高成形过程的效率和成形精度，长波长激光束的聚焦光斑尺寸大，能够保证将短波长激光完全嵌套在内实现成形前后的预热和后续的热处理，进一步提高激光成形效率并减少结构的热应力。
如前所述，F-θ光学镜头作为实现激光加工的重要组成部件，然而，目前能够实现双波长激光加工的F-θ光学镜头并未见报道，因此迫切需要设计相关F-θ光学镜头，满足双波长激光加工的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于双波长激光加工的F-θ光学镜头，该光学镜头可以解决目前激光加工过程中加工结构易变形，激光利用效率低等问题，满足双波激光加工需求。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于双波长激光加工的F-θ光学镜头，所述双波长激光为波长为500nm～550nm之间的激光和波长为1000nm～1100nm之间的激光；所述F-θ光学镜头包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜，其中，第一透镜为凹凸型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凹凸型负透镜，第一透镜和第三透镜的光入射面和光出射面均弯向光线传输方向。
进一步，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述的第一曲面的曲率半径范围为--45mm～-50mm，所述的第二曲面的曲率半径范围为-65mm～-70mm；所述的第一透镜的光轴中心厚度范围为20mm～25mm，所述的第一透镜的折射率范围为1.7～1.8，阿贝数范围为50～60。
进一步，所述的第二透镜包括第三曲面及第四曲面，所述的第三曲面的曲率半径范围为1800mm～3500mm，所述的第四曲面的曲率半径范围为-85mm～-90mm；所述的第二透镜的光轴中心厚度范围为10mm～15mm，所述的第二透镜的折射率范围为1.7～1.8，阿贝数范围为50～60。
进一步，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述的第五曲面的曲率半径范围为-75mm～-80mm，所述的第六曲面的曲率半径范围为-125mm～-130mm；所述的第三透镜的光轴中心厚度范围为3mm～8mm，所述的第三透镜的折射率范围为1.9～2.0，阿贝数范围为15～25。
进一步，所述第三透镜的出光侧还设置有平板保护玻璃，保护玻璃的厚度为0.5mm～10mm。
进一步，所述的第一透镜与第二透镜在光轴上的间距范围为2mm～5mm，所述的第二透镜与第三透镜在光轴上的间距范围为13mm～18mm，所述平板保护玻璃与所述第三透镜在光轴上的距离为1mm～20mm。
本发明的有益效果在于：本发明通过三片式F-θ光学镜头设计，校正双波长激光在横向和轴向的分离，可以很好地满足双波长激光加工的需求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头的结构示意图；
图2为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头实施例的弥散斑示意图；
图3为双波长激光的聚焦光斑的横向分布示意图；
图4为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头实施例的场区和畸变示意图；
图5为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头实施例的横向色差示意图；
图6为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头实施例的MTF曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明用于双波长激光加工的F-θ光学镜头的结构示意图，图中波长为500nm～550nm的激光和波长为1000nm～1100nm的激光同时沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜及第四透镜；其中，第一透镜为凹凸型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三块为凹凸型负透镜；第一透镜和第三透镜的光入射面和光出射面均弯向光线传输方向。
具体实施例：
在本实施例中，双波长激光为波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光，如图1所示，第一透镜L1包括第一曲面S1及第二曲面S2，其中，所述第一曲面S1的曲率半径为-47.5mm，所述第二曲面S2的曲率半径为-67.1mm；第一透镜L1的光轴中心厚度d2为24mm，第一透镜的折射率与阿贝数之比为1.75/52.3。第二透镜L2包括第三曲面S3及第四曲面S4，其中，所述第三曲面S3的曲率半径为1966mm，所述第四曲面S4的曲率半径为-87.65mm；所述第二透镜L2的光轴中心厚度d4为13.6mm，所述第二透镜的折射率与阿贝数之比为1.75/52.3。第三透镜L3包括第五曲面S5及第六曲面S6，其中，所述第五曲面S5的曲率半径为-79.885mm，所述第六曲面S6的曲率半径为-128.87mm；所述第三透镜L3的光轴中心厚度d6为5.7mm，所述第三透镜的折射率与阿贝数之比为1.94/17.9。
所述第三透镜与其成像面之间进一步设有保护玻璃,保护玻璃的厚度为5mm，折射率与阿贝数之比为1.45/67.8。
在本实施例中，所述的第一透镜与第二透镜在光轴上的距离为5mm，所述的第二透镜与第三透镜在光轴上的距离为15.4mm，所述平板保护玻璃与所述第三透镜在光轴上的距离为10mm。
图2为用于波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光的双波长激光加工F-θ光学镜头的弥散斑示意图，如图2所示，波长为532nm的激光光斑中心与波长为1064nm的激光光斑中心基本重合，能量集中程度较好，可设定各自功率来实现加工要求。
图3为波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光的聚焦光斑的横向分布示意图，如图3所示，本发明同时对两束激光进行像差校正，直径较小的短波长激光光斑被直径较大的长波长激光光斑所包围。
图4为用于波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光双波长激光加工F-θ光学镜头的场区和畸变示意图，如图4所示，两波长的最大场曲均在0.3mm以内，畸变均小于0.1％。
图5为用于波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光双波长激光加工F-θ光学镜头的横向色差变示意图，如图5所示，激光波长为532nm的中心光束与波长为1064nm的中心光束在全视场的分离小于10μm。
图6为用于波长为532nm的激光和波长为1064nm的激光双波长激光加工F-θ光学镜头的MTF曲线图，如图6所示，激光波长为532nm到波长为1064nm的MTF接近衍射极限。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种用于双波长激光加工的F-θ光学镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜，其中，第一透镜为凹凸型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，其特征在于：所述第三透镜为凹凸型负透镜，所述双波长激光为波长为500nm～550nm之间的激光和波长为1000nm～1100nm之间的激光；所述第一透镜和第三透镜的光入射面和光出射面均弯向光线传输方向。
2.如权利要求1所述的双波长激光加工F-θ光学镜头，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：
所述第一曲面和第二曲面的曲率半径范围分别为-45mm～-50mm、-65mm～-70mm；
所述第三曲面和第四曲面的曲率半径范围分别为1800mm～3500mm、-85mm～-90mm；
所述第五曲面和第六曲面的曲率半径范围分别为-75mm～-80mm、-125mm～-130mm。
3.如权利要求1所述的双波长激光加工F-θ光学镜头，其特征在于，
所述第一透镜的中心厚度范围为20mm～25mm；
所述第二透镜的中心厚度范围为10mm～15mm；
所述第三透镜的中心厚度范围为3mm～8mm。
4.如权利要求1所述的双波长激光加工F-θ光学镜头，其特征在于，
所述第一透镜的折射率范围为1.7～1.8，阿贝数范围为50～60；
所述第二透镜的折射率范围为1.7～1.8，阿贝数范围为50～60；
所述第三透镜的折射率范围为1.9～2.0，阿贝数范围为15～25。
5.如权利要求1所述的双波长激光加工F-θ光学镜头，其特征在于，
所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距范围为2mm～5mm；
所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距范围为13mm～18mm。
6.如权利要求1所述的双波长激光加工F-θ光学镜头，其特征在于，在所述第三透镜的出光侧进一步设有平板保护玻璃，平板保护玻璃的厚度为0.5mm～10mm，所述平板保护玻璃与所述第三透镜在光轴上的间距为1mm～20mm。
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