CN104914573A - 一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置 - Google Patents

一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置 Download PDF

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姚红兵
王单单
李丽淋
倪文强
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Jiangsu University
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    • G02B27/0075—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. increasing, the depth of field or depth of focus

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Abstract

本发明公开了一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，包括激光源、激光、第一表面、第一光学元件、第二表面、第三表面、第二光学元件、第四表面、第一光学元件所成像点、透镜组所成像点、光屏；所述激光源发出激光，所述透镜组包括设置在激光光路上的第一光学元件、第二光学元件，第一光学元件包括第一表面、第二表面，第二光学元件包括第三表面、第四表面；本发明的装置结构简单，制造成本较低；且尺寸较小，符合装置日渐小型化的要求；尤其需要提出的是：本发明中光学元件的材质和位置的设置，以及激光光源的相关参数的选取使得该系统装置能够达到较长焦深和较小焦斑，对工件平整度要求较低。

Description

一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置
技术领域
本发明涉及光学系统设计领域以及激光加工技术领域，特别涉及一种实现激光打孔装置的长焦深小焦斑聚焦系统。
背景技术
自1960年激光器问世以来，激光在加工方面的应用不断拓展，特别是在激光打孔、切割、光刻等方面起了非常重要的作用。在激光打孔装置中，光束聚焦后的尺寸及焦深是决定打孔精度的关键。由于解析度R反比于λ/NA(λ为激光波长，NA为数值孔径)，焦深DOF(Depth of Focus)正比于λ/NA2，因此若解析度(用激光光斑大小进行评估)提高，则焦深就会下降。焦深的下降将会直接影响被加工物体的表面品质，例如锐利度降低、粗糙度增加。
常规增大焦深的方法是通过减小数值孔径来扩展焦深，但是透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系使得分辨率与加工深度很难同时获得提升，增加焦深必然会引起焦斑尺寸的增大。现有技术中也有采用色差透镜将宽频激光或多波长激光的焦点群集成一线段(不同频段的光束被聚焦在不同的焦平面上)，以延长焦深。但是，此技术需要宽频激光或多波长激光，致使成本提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种长焦深小焦斑的光学系统装置，该装置可以将光源输出的光经过一组聚焦透镜变为长焦深小焦斑光束，使得激光打孔装置对工件位置误差的敏感度较低，对工件表面的平整度适应性强。
本发明的技术方案是：一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，包括激光源、激光、第一表面、第一光学元件、第二表面、第三表面、第二光学元件、第四表面、第一光学元件所成像点、透镜组所成像点、光屏；所述激光源发出激光，所述透镜组包括设置在激光光路上的第一光学元件、第二光学元件，所述第一光学元件具有一个邻近激光光源的第一表面及一个与该第一表面相对的第二表面，从光源位置向光屏方向看，第一表面和第二表面是凸面，组成正弯月透镜；所述第二光学元件设置在位于第一光学元件的远离激光源的一侧，第二光学元件具有一个邻近第一光学元件的第三表面和与该第三表面相对的第四表面，从光源位置向光屏方向看，第三表面和第四表面均是凹面，组成负弯月透镜。
进一步，所述激光光源发出二氧化碳激光。
进一步，所述二氧化碳激光的波长为10600nm，二氧化碳激光光束为高斯光束。需要说明的是，二氧化碳激光器只是本案例的较佳选择，本发明适用于所有发出高斯光束的激光器。
进一步，所述第一光学元件和第二光学元件所用材质为硒化锌，其折射率为2.4。需要说明的是，硒化锌材料只是本案例所选择的较佳材料，不应限制本发明的材料，本发明同样适用于其他材料的光学元件。
进一步，所述第一光学元件的第二表面和第二光学元件中第三表面距离为65.2839mm，第二光学元件中第四光学表面与光屏之间距离为60.2760mm，本实施例符合具体案例的尺寸要求，且尺寸较小，符合装置日渐小型化的要求。
本发明的有益效果是：由于该系统装置仅包括两个球面元件，即第一光学元件和第二光学元件，因此该系统装置的结构简单，制造成本较低；且尺寸较小，符合装置日渐小型化的要求；尤其需要提出的是：本发明中光学元件的材质和位置的设置，以及激光光源的相关参数的选取使得该系统装置能够达到较长焦深和较小焦斑，对工件平整度要求较低。
附图说明
图1是本发明实施例聚焦系统装置的光路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明实施例提供的装置包括激光源1和透镜组。激光源1用于发射二氧化碳激光2。透镜组包括一个第一光学元件4和一个第二光学元件7，其设置在激光光路上。第一光学元件4具有一个邻近激光光源的第一表面3及一个与该第一表面相对的第二表面5，从光源看向光屏方向，第一表面和第二表面是凸面，组成正弯月透镜。第二光学元件7设置在二氧化碳激光2的光路上且位于第一光学元件4的远离激光源1的一侧。第二光学元件7具有一个邻近第一光学元件的第三表面6和与该第三表面相对的第四表面8，从光源看向光屏方向，第三表面和第四表面均是凹面，组成负弯月透镜。
本激光聚焦装置激光光源1发出二氧化碳激光，其波长为10600nm，单独经过第一光学元件4，该元件为弯月形正透镜，可将光线聚焦在9处。后经过该装置第二光学元件7，第二元件7为弯月形负透镜，将光束进行发散，最后在光屏11上聚焦于10处，用于进一步延长激光装置焦深。
本激光聚焦装置透镜组包括第一光学元件4和第二光学元件7，第一光学元件4和第二光学元件7材料均为硒化锌材料。
将透镜参数输入codev软件中，可得表1各个位置焦斑的大小，可以看到我们最终得到的激光聚焦装置焦深可以达到1.4mm，焦斑均方根直径为24um，实现了出射光束的长焦深小焦斑。
表1
视场 焦斑位置 均方根光斑直径
场1，(0，0)度 -0.7 0.23948*10-01mm
场1，(0，0)度 0 0.45671*10-03mm
场1，(0，0)度 0.7 0.23920*10-01mm
场2，(0，1)度 -0.7 0.23790*10-01mm
场2，(0，1)度 0 0.52681*10-03mm
场2，(0，1)度 0.7 0.24077*10-01mm
场3，(0，2)度 -0.7 0.23333*10-01mm
场3，(0，2)度 0 0.89833*10-03mm
场3，(0，2)度 0.7 0.24528*10-01mm
以上对本发明所提供的一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，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 (5)

1.一种长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，其特征在于，包括激光源(1)、激光(2)、第一表面(3)、第一光学元件(4)、第二表面(5)、第三表面(6)、第二光学元件(7)、第四表面(8)、第一光学元件所成像点(9)、透镜组所成像点(10)、光屏(11)；
所述激光源(1)发出激光(2)，所述透镜组包括设置在激光(2)光路上的第一光学元件(4)、第二光学元件(7)，所述第一光学元件(4)具有一个邻近激光光源(1)的第一表面(3)及一个与该第一表面相对的第二表面(5)，从光源位置向光屏方向看，第一表面(3)和第二表面(5)是凸面，组成正弯月透镜；
所述第二光学元件(7)设置在位于第一光学元件(4)的远离激光源(1)的一侧，第二光学元件(7)具有一个邻近第一光学元件的第三表面(6)和与该第三表面相对的第四表面(8)，从光源位置向光屏方向看，第三表面(6)和第四表面(8)均是凹面，组成负弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，其特征在于，所述激光光源(1)发出二氧化碳激光。
3.根据权利要求1所述的长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，其特征在于，所述二氧化碳激光的波长为10600nm，二氧化碳激光光束为高斯光束。
4.根据权利要求1所述的长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，其特征在于，所述第一光学元件(4)和第二光学元件(7)所用材质为硒化锌，其折射率为2.4。
5.根据权利要求1所述的长焦深小焦斑透镜聚焦系统的激光装置，其特征在于，所述第一光学元件(4)的第二表面(5)和第二光学元件(7)中第三表面(6)距离为65.2839mm，第二光学元件(7)中第四光学表面(8)与光屏(11)之间距离为60.2760mm。
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