CN105891916B - 一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜，包括非球面镜，非球面镜的一面为平凸非球面，另一面为平面，非球面镜一侧设有聚焦焦面，在非球面镜与聚焦焦面之间设有聚焦实心光束末端，且非球面镜与聚焦实心光束末端之间为交错实心光束，形成一段贝塞尔高斯光束段，聚焦实心光束末端与聚焦焦面之间为空心光束，本发明结构原理简单，采用的非球面镜能够聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，单向焦深极长，能够对激光束模式具有较广的普适性，可大幅改善并提高透明材料激光精细加工工艺。
Description
技术领域
本发明涉及光学透镜技术领域，具体为一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜。
背景技术
激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性进行激光切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等，其中尤以激光切割、打孔、微加工等工艺对聚焦激光束特性要求相对较高。同等激光功率下，往往须同时具备聚焦光斑小、焦深长、峰值功率密度高，才能更大限度提升加工速度与质量。
现如今，激光切割占据激光加工工艺过半市场成为主流，大部分激光切割光路采用光学性能较好的镜片组合甚至非球面镜。然而，常规镜片、镜组以及非球面镜获得的聚焦光斑小时，则焦深长度受限；满足了焦深长度，则光斑较大而峰值功率降低。
而对于激光切割新型加工行业中的透明材料切割，连续输出激光器配合普通镜片或镜组并不能获得高效的切割速度与质量，除了连续输出激光器峰值功率不够高外，透明材料的高透射性及普通镜片或镜组的焦深与光斑大小无法兼容，需要脉冲激光器与特殊镜片或镜组配合提高透明材料的切割速度与质量。
轴向多焦点镜片能够一定程度上弥补常规镜片、镜组及非球面镜的不足，可同时实现聚焦光斑小、焦深较长。缺点是，轴向多焦点镜片受限于激光束模式组成、入射光束尺寸、聚焦段光束相干相消等多因素，从而影响使用稳定性和范围。
轴锥透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰值能量分布。不足的是，单独的轴锥透镜焦深范围内由于光斑外径较大，使得光斑峰值功率密度并不够高，且对机械装配精度要求极高，难以单独广泛用于工业激光加工行业。
为改善现有透明材料的激光切割、打孔、微加工等加工工艺，提高镜片聚焦段焦深长度与光斑尺寸兼容性，提高峰值功率密度，同时降低装配精度要求，降低光路镜片数量与复杂度，以适用于一般场合，本发明提出一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面透镜，对平行入射光聚焦可获得贝塞尔高斯光束，聚焦段高能量分布范围光斑小、焦深极长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜。，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜,包括非球面镜，所述非球面镜的一面为平凸非球面，所述非球面镜一侧设有聚焦焦面，在所述非球面镜与所述聚焦焦面之间设有聚焦实心光束末端，且所述非球面镜与所述聚焦实心光束末端之间为交错实心光束，形成一段贝塞尔高斯光束段，所述聚焦实心光束末端与所述聚焦焦面之间为空心光束；所述平凸非球面采用圆心偏离光轴的圆锥球面面型构造或双凸面型构造，所述非球面镜另一面采用平面或曲面或平面与曲面的组合；所述非球面镜镜片采用正反装配方式，且非球面镜的入射光束为圆形平行入射光或近平行高斯或类高斯光束，聚焦光斑位置对应于镜片前后焦点位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构原理简单，采用的非球面镜能够聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，单向焦深极长，能够对激光束模式具有较广的普适性，可大幅改善并提高透明材料激光精细加工工艺。
附图说明
图1为本发明的非球面镜及光路剖切图；
图2为本发明的原理分解剖切图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜,包括非球面镜1，所述非球面镜1的一面为平凸非球面5，所述非球面镜1一侧设有聚焦焦面3，在所述非球面镜1与所述聚焦焦面3之间设有聚焦实心光束末端2，且所述非球面镜1与所述聚焦实心光束末端2之间为交错实心光束，形成一段贝塞尔高斯光束段4，所述聚焦实心光束末端2与所述聚焦焦面3之间为空心光束，贝塞尔高斯光束段的特点是，越靠近聚焦实心光束末端2前的最小光斑位置，贝塞尔高斯光束峰值功率密度越高，可用于弥补传递过程中的能量损失，可利用靠近聚焦实心光束末端2的高峰致密度贝塞尔高斯光束段进行透明材料的激光精细加工。
本实施例中，平凸非球面5采用圆心偏离光轴的圆锥球面面型构造或双凸面型构造；非球面镜另一面采用平面或曲面或平面与曲面的组合。
本实施例中，非球面镜1镜片采用正反装配方式，且装配精度要求不高，非球面镜1的入射光束为圆形高斯或类高斯平行光束，当圆形高斯或类高斯平行光束入射非球面镜后，获得聚焦光斑中心峰值功率密极高，同时边缘功率密度极低的贝塞尔高斯光束段，聚焦光斑位置对应于镜片前后焦点位置。
工作原理：在平行或近平行圆形高斯或类高斯光束入射时，平凸非球面5对光束进行聚焦，聚焦光束经过轴锥透镜6形成交错汇聚光束，从而在聚焦焦面3形成空心环形光斑，轴锥透镜6与聚焦实心光束末端2之间为贝塞尔高斯光束段4，
本发明的非球面镜，基于激光器出光方式、功率与光束质量等参数，对发散光源进行合理准直，或对小尺寸近平行出射光扩束，以获得适当大小的近平行入射光，光束为高斯或类高斯光束，通过入射到非球面镜激光束参数，可设计出相应短焦距参数的该种非球面镜，使得聚焦光束贝塞尔高斯光束段中心能量分布极高，边缘能量分布极低，单向焦深极长且无旁瓣。
本发明结构原理简单，采用的非球面镜能够聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，单向焦深极长，能够对激光束模式具有较广的普适性，可大幅改善并提高透明材料激光精细加工工艺。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种基于轴锥透镜与聚焦镜特性的非球面镜,其特征在于：包括非球面镜，所述非球面镜的一面为平凸非球面，所述非球面镜一侧设有聚焦焦面，在所述非球面镜与所述聚焦焦面之间设有聚焦实心光束末端，且所述非球面镜与所述聚焦实心光束末端之间为交错实心光束，形成一段贝塞尔高斯光束段，所述聚焦实心光束末端与所述聚焦焦面之间为空心光束；所述平凸非球面采用圆心偏离光轴的圆锥球面面型构造或双凸面型构造，所述非球面镜另一面采用平面或曲面或平面与曲面的组合；所述非球面镜镜片采用正反装配方式，且非球面镜的入射光束为圆形平行入射光或近平行高斯或类高斯光束，聚焦光斑位置对应于镜片前后焦点位置。
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