CN106695116B - 一种光学模组及激光切割装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学模组，有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。本发明中的光学模组，包括:共轴排列的轴锥棱镜(A)、扩束镜(L2)、第一透镜(L1)、聚光镜(L3)和反射镜(M)；所述轴锥棱镜(A)置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；所述第一透镜(L1)，置于所述轴锥棱镜(A)后端，用于对环形光斑进行环聚焦；所述扩束镜(L2)置于所述第一透镜(L1)前端；所述聚光镜(L3)置于所述光路的末端；所述反射镜(M)设置于所述轴锥棱镜(A)的后端，所述聚光镜(L3)的前端，且所述反射镜(M)的反射面与所述光轴呈大于0°的倾角。
Description
技术领域
本发明涉及工程光学技术领域，尤其涉及一种光学模组及激光切割装置。
背景技术
激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，完成对材料的切割。
相比较高斯光束，聚焦光束直径小、焦深长特性的贝塞尔光束非常适合高硬度脆性材料的无锥度切割、高径深比钻孔，激光微加工光路设计中。贝塞尔光束横向光强分布表现为一个中心光斑和一系列同心圆环，在物理上可以实现的贝塞尔光束，其无衍射传播范围是有限的，在其无衍射范围内，贝塞尔光束保持横向光强分布，即使在遇到不透明障碍物后也可以恢复到原来的横向光强分布。与高斯光束相比，贝塞尔光束几乎没有球差效应，光束直径小，能量高，光束强度集中在光束传播方向的一个狭长的范围内，在这里只能出现显着的非线性效应(包括非线性光束扭曲和非线性吸收)，本质上使得其与脆性材料的相互作用更为可控。
现有技术利用轴锥棱镜将高斯圆形光斑转变为贝塞尔环形光斑，高斯光束的中心光强最强，而轴锥棱镜顶角不可能绝对尖锐，入射的高斯光束绝大部分通过轴锥棱角锥形镜面转换为环形光束，但中心也会有少量光束从轴锥棱镜顶角处穿过，仍是保持原来的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一个中心圆点加一个圆环，而不是一个单纯的贝塞尔环形光斑，因此，在应用透明材料微细加工中，轴锥棱镜中心漏光会影响材料的加工效果。
发明内容
本发明提供了一种光学模组，用于有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。
本发明提供的光学模组，包括:
共轴排列的轴锥棱镜A、扩束镜L2、第一透镜L1、聚光镜L3和反射镜M；
轴锥棱镜A置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；
第一透镜L1，置于轴锥棱镜A后端，用于对环形光斑进行环聚焦；
扩束镜L2置于第一透镜L1前端；
聚光镜L3置于光路的末端；
反射镜M设置于轴锥棱镜A的后端，聚光镜L3的前端，且反射镜M的反射面与光轴呈大于0°的倾角。
可选的，
光学模组还包括四分之一波片Q，四分之一波片Q置于轴锥棱镜A的后端，聚光镜L3的前端。
可选的，
反射镜M置于第一透镜L1的前端。
可选的，
轴锥棱镜A的顶角为170°。
可选的，
第一透镜L1为焦距在-90mm的平凹透镜。
可选的，
扩束镜L2为2倍扩束镜。
可选的，
扩束镜L2包括第二透镜L2-1和第三透镜L2-2；
第二透镜L2-1为焦距为170mm的平凸透镜；
第三透镜L2-2为焦距为170mm的平凸透镜。
可选的，
反射镜M的反射面与光轴呈45°倾角。
可选的，
聚光镜为放大倍率为20x且数值孔径为0.4的显微物镜镜头。
本发明还提供了一种激光切割装置，安装以上任一项所述的光学模组。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明中，光学模组包括共轴排列的轴锥棱镜A、扩束镜L2、第一透镜L1、聚光镜L3和反射镜M；轴锥棱镜A置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；第一透镜L1，置于轴锥棱镜A后端，用于对环形光斑进行环聚焦；扩束镜L2置于第一透镜L1前端；聚光镜L3置于光路的末端；反射镜M设置于轴锥棱镜A的后端，聚光镜L3的前端，且反射镜M的反射面与光轴呈大于0°的倾角。现有技术中，激光经过轴锥棱镜后，得到贝塞尔光束，由于轴锥棱镜顶端不可能绝对尖锐，入射的高斯光束绝大部分通过轴锥棱角锥形镜面转换为环形光束，但中心也会有少量光束从轴锥棱镜顶角处穿过，仍是保持原来的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一个中心圆点加一个圆环，而不是一个单纯的贝塞尔环形光斑。而本发明通过设置反射面与光轴呈大于0°的倾角反射镜M，从而中心光束经反射镜M的反射后改变光路。有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。
此外，为了获得更优质的聚焦效果，本发明还设置了扩束镜L2进行扩束，并结合第一透镜L1进行环聚焦，从而调节环形光斑的粗细，为进入聚光镜进行聚焦提供有利条件。
附图说明
图1为本发明中光学模组的实施例结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种光学模组，用于有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。
本发明提供了一种光学模组，用于有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。
本发明提供的光学模组，包括:
共轴排列的轴锥棱镜A、扩束镜L2、第一透镜L1、聚光镜L3和反射镜M；
轴锥棱镜A置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；
第一透镜L1，置于轴锥棱镜A后端，用于对环形光斑进行环聚焦；
扩束镜L2置于第一透镜L1前端；
聚光镜L3置于光路的末端；
反射镜M设置于轴锥棱镜A的后端，聚光镜L3的前端，且反射镜M的反射面与光轴呈大于0°的倾角。
本实施例中，光学模组包括共轴排列的轴锥棱镜A、扩束镜L2、第一透镜L1、聚光镜L3和反射镜M；轴锥棱镜A置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；第一透镜L1，置于轴锥棱镜A后端，用于对环形光斑进行环聚焦；扩束镜L2置于第一透镜L1前端；聚光镜L3置于光路的末端；反射镜M设置于轴锥棱镜A的后端，聚光镜L3的前端，且反射镜M的反射面与光轴呈大于0°的倾角。现有技术中，激光经过轴锥棱镜后，得到贝塞尔光束，由于轴锥棱镜顶端不可能绝对尖锐，入射的高斯光束绝大部分通过轴锥棱角锥形镜面转换为环形光束，但中心也会有少量光束从轴锥棱镜顶角处穿过，仍是保持原来的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一个中心圆点加一个圆环，而不是一个单纯的贝塞尔环形光斑。而本发明通过设置反射面与光轴呈大于0°的倾角反射镜M，从而中心光束经反射镜M的反射后改变光路。有效解决现有轴锥棱镜中心漏光影响材料的加工效果的问题。
此外，为了获得更优质的聚焦效果，本发明还设置了扩束镜L2进行扩束，并结合第一透镜L1进行环聚焦，从而调节环形光斑的粗细，为进入聚光镜进行聚焦提供有利条件。
下面以实际应用的例子进行说明，从光路的起始端到终止端依次共轴排列，轴锥棱镜A、四分之一波片Q、第二透镜L2-1、第三透镜L2-2、45°反射镜M、第一透镜L1和聚光镜L3。
需要说明的是，上述光学元件可以分散设置，经共轴排列后使用；也可以按顺序分别镶嵌在具有安装位的壳体内。
其中，反射镜M可以与第一透镜L1一体成型，且设置在第一透镜L1的几何中心处。第一透镜L1有效改善激光环形聚焦光斑的光强分布、特征宽度和光能量集中分布。
四分之一波片为一定厚度的双折射单晶薄片。当光法向入射透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4波片。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面(垂直自然裂开面)成θ角，出射后成椭圆偏振光。特别当θ＝45°时，出射光为圆偏振光。波片的快轴和慢轴，与晶体的类型有关。负晶体的Ve>Vo，波片光轴方向平行于波片平面，负晶体做的四分之一波片的光轴方向就是快轴方向。正晶体快轴方向垂直于光轴方向位于波片平面内。
本发明中设置的四分之一波片Q让激光器输出的线偏振光转变为圆偏振光，更有利于激光XY方向加工效果的一致性；
需要说明的是，扩束镜不限于现有现成的扩束镜和经透镜组配合得到的扩束镜。例如开普勒以及伽利略扩束镜。
伽利略扩束镜通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。一般的尽可能的被设计为小的球面相差，低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
事实上在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候，一般使用开普勒设计的望远镜。开普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片，把实焦距聚焦的光束发送到输出元件上。另外，可以通过在第一个透镜的焦点上放置小孔来实现空间滤波。例如扩束镜L2由第二透镜L2-1和第三透镜L2-2替代，有效解决外加扩束镜调光的困难问题，入射到后面聚光镜L3的光束直径越大，聚焦的光束直径越小，具有增强加工效果越细腻的技术效果。
为了获得更好的效果，具体光学元器件的型号包括但不限于以下组合：轴锥棱镜A为顶角170°的轴锥棱镜、第一透镜L1为焦距在-90mm的平凹透镜扩束镜L2为2倍扩束镜，且扩束镜L2包括第二透镜L2-1和第三透镜L2-2；第二透镜L2-1为焦距为170mm的平凸透镜、第三透镜L2-2为焦距为170mm的平凸透镜、反射镜M的反射面与光轴呈45°倾角、聚光镜为放大倍率为20x且数值孔径为0.4的显微物镜镜头。
本发明还提供了一种激光切割装置，安装以上任一项所述的光学模组。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光学模组，其特征在于，包括:
共轴排列的轴锥棱镜(A)、扩束镜(L2)、第一透镜(L1)、聚光镜(L3)和反射镜(M)；
所述轴锥棱镜(A)置于光路的起始端，其锥形部背离激光器设置，用于产生环形光斑；
所述第一透镜(L1)，置于所述轴锥棱镜(A)后端，用于对环形光斑进行环聚焦；
所述扩束镜(L2)置于所述第一透镜(L1)前端；
所述聚光镜(L3)置于所述光路的末端；
所述反射镜(M)设置于所述轴锥棱镜(A)的后端，所述聚光镜(L3)的前端，且所述反射镜(M)的反射面与光轴呈大于0°的倾角。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光学模组还包括四分之一波片(Q)，所述四分之一波片(Q)置于所述轴锥棱镜(A)的后端，所述聚光镜(L3)的前端。
3.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述反射镜(M)置于所述第一透镜(L1)的前端。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述轴锥棱镜(A)的顶角为170°。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述第一透镜(L1)为焦距在-90mm的平凹透镜。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述扩束镜(L2)为2倍扩束镜。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述扩束镜(L2)包括第二透镜(L2-1)和第三透镜(L2-2)；
所述第二透镜(L2-1)为焦距为170mm的平凸透镜；
所述第三透镜(L2-2)为焦距为170mm的平凸透镜。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述反射镜(M)的反射面与所述光轴呈45°倾角。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的光学模组，其特征在于，所述聚光镜为放大倍率为20x且数值孔径为0.4的显微物镜镜头。
10.一种激光切割装置，其特征在于，安装有如权利要求1至9中任一项所述的光学模组。
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