CN105527716B - 一种紫外激光连续变倍扩束镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外激光连续变倍扩束镜，沿激光入射方向，包括连续设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中所述的第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为平凹的负透镜，第三透镜为平凸的正透镜；第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：5mm≤d2≤23mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：124≤d4≤139mm，且d2与d4的公差范围为5％。与现有技术相比，本发明紫外激光变倍扩束镜能允许入射光直径φ＝2.2–6mm，扩束倍率范围为β＝2–10，波长λ＝355nm。本发明扩束镜可将不同激光器输出的不同参数的激光应用于同一种激光应用系统；同时，也可用于对激光参数有不同要求的各种激光应用光学系统。

Description

一种紫外激光连续变倍扩束镜

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种紫外激光连续变倍扩束镜。

背景技术

激光具有极好的单色性、相干性以及方向性，并且具有极高的亮度。因此，激光已经广泛地应用于国民经济的多个领域。激光器发出的光束直径一般都较小，但在很多的激光应用场景中，往往需要光束直径较大的激光光束，例如：在激光加工系统中，为了提高工作效率，获得较大的激光照度，则需要在聚焦镜头前得到较大光束直径的入射激光光束；在激光照明系统和全息成像系统中，需要较大光束直径和较小发散角的激光光源作为系统光源。因此，多数的激光应用系统中都会配备扩束镜，尤其是倍率可调的扩束镜，用来扩展激光束的直径，改善激光束的发散角。

激光扩束镜分为固定倍率扩束镜和变倍扩束镜两种，其中变倍扩束镜可以对输出光束的直径进行调节，从而适应更多的应用环境。

专利CN 101887173A描述了一种紫外激光变倍扩束镜，当激光光束最大的入射直径为φmax＝4mm时，该扩束镜可用的扩束倍率为2-8倍；当激光光束的最大入射直径为φmax＝8mm时，可用的放大倍率为2-4倍。该专利中描述的变倍激光扩束镜，有以下不足：1)可变的扩束倍率范围较小，仅为2-8倍；2)输入的激光光斑直径也比较小，放大倍率为2-8倍时，φmax最大仅为4mm，应用场景受到限制；3)三片镜片中，最后一片镜片材料是非融石英玻璃，降低了该扩束镜光透过率和激光损伤抵御能力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紫外激光连续变倍扩束镜。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种紫外激光连续变倍扩束镜，沿激光入射方向，包括连续设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中所述的第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为平凹的负透镜，第三透镜为平凸的正透镜，该紫外激光变倍扩束镜能允许入射光直径φ＝2.2–6mm，扩束倍率范围为β＝2–10，波长λ＝355nm。

进一步地，第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：5mm≤d2≤23mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：124≤d4≤139mm，且d2与d4的公差范围为5％。

进一步地，所述的d2为23mm，所述的d4为124mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为2。

进一步地，所述的d2为18mm，所述的d4为135mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为4。

进一步地，所述的d2为12mm，所述的d4为137mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为6。

进一步地，所述的d2为9mm，所述的d4为138mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为8。

进一步地，所述的d2为5mm，所述的d4为139mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为10。

进一步地，所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度为d1，其材料可以表述为Nd1(折射率)：Vd1(阿贝数)，所述的R1为37mm，R2为-37mm，d1为3mm，Nd1:Vd1为1.46：68，且d1与Nd1:Vd1的公差范围为5％。

进一步地，所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度为d3，其材料可以表述为Nd3(折射率)：Vd3(阿贝数)，所述的R3为无穷大，R4为4mm，d3为2mm，Nd3:Vd3为1.46:68，且d1与Nd3:Vd3的公差范围为5％。

进一步地，所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度为d5，其材料可以表述为Nd5(折射率)：Vd5(阿贝数)，所述的R5为无穷大，R6为-75mm，d5为6mm，Nd5:Vd5为1.46：68，且d5与Nd5:Vd5的公差范围为5％。

与现有技术相比，本发明的紫外激光变倍扩束镜整体结构简单，紧凑，便于调整。由于激光光束的扩束倍率可以较大范围(2-10倍)进行调节，因此，本发明的扩束镜可将不同激光器输出的不同参数的激光应用于同一种激光应用系统；同时，也可用于对激光参数有不同要求的各种激光应用光学系统。

附图说明

图1是本发明的紫外激光变倍扩束镜的光学系统结构示意图。

图2是本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的弥散斑图。

图3是本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的能量集中度图。

图4是本发明的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的光学传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工过程聚焦点的能量密度，使得激光加工设备可以高效率地工作。根据衍射极限理论：激光的发散角θ与光腰直径d₀的乘积为常数。从激光器输出的激光光束直径一般都比较小，在通过一定焦距的光学会聚系统聚焦前，要求扩大光束直径以减小发散角θ，同时获得较大的入射光束直径。假设在激光器与焦距为f的光学会聚系统中加入一个激光扩束系统，根据要求选用适当的扩束倍数β，使得激光光束扩大到直径为D＝β·d₀，此时激光的发散角θ_入仍满足衍射极限理论关系式：θ_入·D＝θ·d₀＝4λ/π，所以，θ_入＝θ/β＝4λ/πD。这样，理想的会聚激光光斑δ＝θ_入·f＝4λf/πD。所以，通过选用合适的倍率β获得合适的D值，便可得到理想的聚焦光斑δ，以提高工作焦点处的能量密度。

为适应不同激光器光束直径和发散角整形的需要，本发明提供一种可以连续变化扩束镜倍率的紫外激光变倍扩束镜。这样使用起来适应性强，更容易满足光束整形的要求，选择了最常用的激光束的直径和倍率作为设计起点，当激光光束的入射直径为2.2mm–6mm时，该扩束镜的倍率变化范围为10–2。

参照图1，本发明提供一种紫外激光变倍扩束镜，其包括沿入射光传输方向设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3。其中第一透镜L1为双凸正透镜，第二透镜L2为平凹负透镜，第三透镜L3为平凸正透镜。

第一透镜L1包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料表述为为Nd1(折射率)：Vd1(阿贝数)；第二透镜L2包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料表述为Nd3(折射率)：Vd3(阿贝数)；第三透镜L3包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d3，其材料表述为Nd5(折射率)：Vd5(阿贝数)。

第一透L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4。

本实施例的紫外激光变倍扩束镜的具体数据参数如表1所示，其中：

Φ_入＝2.2–6mm，β＝2–10，λ＝355nm，Φ_入为本发明的紫外激光变倍扩束镜所允许的入射光束直径范围，β为扩束倍数，λ为输入光束的波长。

表1紫外激光变倍扩束镜具体参数

d2和d4是可调的。通过调节d2与d4，可使扩束镜产生不同的扩束倍数，其对应关系举例如表2所示：

表2 d2与d4的关系对应的扩束镜产生的扩束倍数

d2(mm)	d4(mm)	β
			23	124	2
18	135	4
			12	137	6
9	138	8
			5	139	10

上表中，紫外激光变倍扩束镜的曲面半径，曲面间隔及材料参数在±5％内均可以解决上述实施例中要解决的技术问题，达到同样的技术效果，其具体描述如下：

1)曲面曲率半径R_1–6 △R_1-6≤±5％·R_1–6

2)曲面间隔d_1–5 △d_1-5≤±5％·d_1–5

3)折射率：阿贝数Nd_1-5:Vd_1–5 △Nd_1-5:Vd_1-5≤±5％·Nd_1-5:Vd_1–5

本实施例的紫外激光变倍扩束镜的弥散斑图如图2所示，从图中可以明显的看出，当入射光束在0°-0.055°入射角度的情况下，其出射光束的光束质量都在衍射极限内。能量集中度图如图3所示，从图中可以明显看出，当入射光束在0°-0.055°入射角度的情况下，其出射光束的光束质量所能形成的弥散斑半径都在0.015微米内。光学传递函数图如图4所示，从图中可以明显看出，当入射光束在0°-0.055°入射角度的情况下，其出射光束的光学传递函数都达到了衍射极限。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，沿激光入射方向，包括连续设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中所述的第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为平凹的负透镜，第三透镜为平凸的正透镜；

第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：5mm≤d2≤23mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：124≤d4≤139mm；

所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度为d1，其材料以折射率与阿贝数之比进行表述，即Nd1：Vd1，R1为37mm，R2为-37mm，d1为3mm，Nd1:Vd1为1.46：68；

所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度为d3，其材料以折射率与阿贝数之比进行表述，即Nd3：Vd3，所述的R3为无穷大，R4为4mm，d3为2mm，Nd3:Vd3为1.46:68；

所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度为d5，其材料以折射率与阿贝数之比进行表述，即Nd5：Vd5，所述的R5为无穷大，R6为-75mm，d5为6mm，Nd5:Vd5为1.46：68；

该扩束镜中各透镜的曲面半径，曲面间隔及材料参数的公差范围在±5％内。

2.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的d2为23mm，所述的d4为124mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为2。

3.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的d2为18mm，所述的d4为135mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为4。

4.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的d2为12mm，所述的d4为137mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为6。

5.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的d2为9mm，所述的d4为138mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为8。

6.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的d2为5mm，所述的d4为139mm，该紫外激光变倍扩束镜的扩束倍率为10。