CN106970471A - 光束变换装置及激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光束变换装置及激光装置，涉及光束变换的技术领域，所述光束变换装置，包括准直组件和光束变换单元，准直组件用于形成平行光束，平行光束经过光束变换单元后的输出光束的横截面为环形；光束变换单元包括依次设置的第一光学元件和第二光学元件，第一光学元件包括第一面和第二面，第二面为向第一光学元件内凹的圆锥面；第一光学元件用于将平行入射光变为发散的出射光；第二光学元件包括第三面和第四面，第四面与第一面平行，第三面为背向第四面向外凸出的圆锥面，第二光学元件用于将进入第二光学元件内的光束变为平行的出射光。环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。

Description

光束变换装置及激光装置

技术领域

本发明涉及光束变换技术领域，尤其是涉及一种光束变换装置及激光装置。

背景技术

在微电子学、生物医学、信息产业领域，人们越来越多地使用各种光束，尤其是激光束作为刻刀，来解决微芯片制造、光盘存储器、微型编码器的制作、激光标记标刻等有关精细加工问题。

目前在相关工厂的生产线上广泛使用的是TEMoo单模激光束，但是，因为该激光束遵循的是高斯分布特性，激光束的中心强度高而边缘强度弱，且能量发散，从而使得被刻划的线条、文字、图案的轮廓不清、边缘模糊，满足不了超精微加工的特殊要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光束变换装置及激光装置，以缓解了现有激光的能量分布不合理，激光束的中心强度高而边缘强度弱，且能量发散的技术问题。

本发明提供的光束变换装置，包括准直组件和光束变换单元，所述准直组件用于形成平行光束，所述平行光束经过所述光束变换单元后的输出光束的横截面为环形；

所述光束变换单元包括依次设置的第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件包括第一面和第二面，所述第二面为向所述第一光学元件内凹的圆锥面；所述第一光学元件用于将平行入射光变为发散的出射光，所述发散的出射光照射在第二光学元件的入射面，且照射在所述第二光学元件入射面上的各位置的光束的入射角相同；

所述第二光学元件包括第三面和第四面，所述第四面与所述第一面平行，所述第三面为背向所述第四面向外凸出的圆锥面，第二光学元件用于将进入第二光学元件内的光束变为平行的出射光。

进一步的，所述第一光学元件的第二面与所述第二光学元件的第三面或者第四面相对；

或者，所述第一光学元件的第一面与所述第二光学元件的第三面或者第四面相对。

进一步的，所述光束变换装置包括壳体，所述第一光学元件和第二光学元件分别活动连接于所述壳体内，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调，用来调整从所述第二光学元件射出的输出光的焦深。

进一步的，所述壳体内部间隔设置有多个插槽，且多个所述插槽沿所述光轴方向设置，所述第一光学元件和第二光学元件可选择的插接在所述插槽内，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调。

进一步的，所述第一光学元件和第二光学元件均包括边框，所述边框上设置有向外凸出的提拉部，用于将所述第一光学元件与第二光学元件推入或者拉出所述插槽。

进一步的，所述壳体内设置有滑槽，所述第一光学元件和第二光学元件分别与所述滑槽滑动连接，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调。

进一步的，所述第一光学元件和第二光学元件均包括边框，所述边框包括连接杆；所述滑槽的横截面为“T”形，所述连接杆包括棱柱段，所述棱柱段的横截面为棱形，所述棱柱段与所述滑槽滑动连接，用于阻止连接杆以自身中轴线为转轴发生转动。

进一步的，所述连接杆包括圆柱段，所述圆柱段的外端露出所述壳体，向所述壳体内推动所述圆柱段，用于将所述棱柱段推离所述滑槽，以使所述连接杆以自身中轴线为转轴发生转动

进一步的，所述圆柱段上转动连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母拧紧后，用于防止所述连接杆与滑槽发生相对滑动。

本发明提供的激光装置，包括光纤连接器、透镜组和上述的光束变换装置，所述透镜组用于调整及准直从所述光纤连接器射出的光束。

本发明提供的光束变换装置，包括准直组件和光束变换单元，光源经过准直组件可以形成平行光束，光束变换单元可以将平行光束转变为横截面为环形的环形光束。所述光束变换单元包括依次设置的第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件包括第一面和第二面，所述第二面为向所述第一光学元件内凹的圆锥面；经过第一光学元件后的出射光为发散的，所述发散的出射光可以照射在第二光学元件的入射面，且照射在所述第二光学元件入射面上的各位置的光束的入射角相同。第二光学元件包括第三面和第四面，所述第四面与所述第一面平行，所述第三面为背向所述第四面向外凸出的圆锥面，从第一光学元件射出的发散光进入到第二光学元件后，射出的光束可以变为平行的出射光。平行光束经过光束变换单元，将发生连续的折射，光束经过第一光学元件的第二面将向外发生折射，且位于光束中心位置的光将向外侧扩散，随后进入到第二光学元件，再次经过第三面的折射作用，最后从第二光学元件输出的光的横截面为环形。环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。所以利用本发明提供的光束变换装置输出后的光束进行雕刻，得到的线条、文字、图案的轮廓、边缘清楚。

本发明提供的激光装置，包括光纤连接器和上述的光束变换装置，以及透镜组。光纤连接器发射的激光经过透镜组后形成平行光束，平行光束经过光束变换装置，将发生连续的折射，光束经过第一光学元件的第二面将向外发生折射，且光束中心位置的光将向外侧扩散，随后进入到第二光学元件，再次经过第三面的折射作用，最后从第二光学元件输出的光的横截面为环形，环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。激光装置输出后的光束进行雕刻，得到的线条、文字、图案的轮廓、边缘清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的光束变换装置的一种光路原理图；

图2为本发明实施例1提供的光束变换装置的另一种光路原理图；

图3为本发明实施例1提供的光束变换装置的再一种光路原理图；

图4为本发明实施例1提供的光束变换装置的又一种光路原理图；

图5为发明实施例1提供的光束变换装置俯视方向的剖视图；

图6为发明实施例2提供的光束变换装置的示意图；

图7为发明实施例2提供的光束变换装置的边框的示意图；

图8为发明实施例2提供的光束变换装置的截面图。

图标：100-准直组件；200-第一光学元件；210-第一面；220-第二面；300-第二光学元件；310-第三面；320-第四面；400-聚焦透镜；500-插槽；600-提拉部；700-滑槽；810-棱柱段；820-圆柱段；900-锁紧螺母。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种光束变换装置，下面给出多个实施例对本发明提供的光束变换装置的结构进行详细描述。

实施例1

本发明提供的光束变换装置，包括准直组件100和光束变换单元，光源经过准直组件100可以形成平行光束，光束变换单元可以将平行光束转变为横截面为环形的环形光束。所述光束变换单元包括依次设置的第一光学元件200和第二光学元件300，所述第一光学元件200包括第一面210和第二面220，所述第二面220为向所述第一光学元件200内凹的圆锥面；经过第一光学元件200后的出射光为发散的，所述发散的出射光可以照射在第二光学元件300的入射面，且照射在所述第二光学元件300入射面上的各位置的光束的入射角相同。第二光学元件300包括第三面310和第四面320，所述第四面320与所述第一面210平行，所述第三面310为背向所述第四面320向外凸出的圆锥面，从第一光学元件200射出的发散光进入到第二光学元件300后，射出的光束可以变为平行的出射光。平行光束经过光束变换单元，将发生连续的折射，光束经过第一光学元件200的第二面220将向外发生折射，且位于光束中心位置的光将向外侧扩散，随后进入到第二光学元件300，再次经过第三面310的折射作用，最后从第二光学元件300输出的光的横截面为环形。环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。所以利用本发明提供的光束变换装置输出后的光束进行雕刻，得到的线条、文字、图案的轮廓、边缘清楚。

所述准直组件100可以由多个透镜组成，用于形成平行光束，例如，准直组件100包括一个凹透镜和一个凸透镜，沿输入光的传播方向，依次为凹透镜、凸透镜，凹透镜可以起到扩束的作用，而凸透镜可以形成平行光束。

所述光束变换装置可以包括聚焦透镜400，聚焦透镜400设置于光束变换单元后，可以将环形光束汇聚，使得输出光能量更加集中。

如图1-4，第一光学元件200的第二面220与所述第二光学元件300的第三面310或者第四面320相对；或者，所述第一光学元件200的第一面210与所述第二光学元件300的第三面310或者第四面320相对。也就是说，从准直组件100输出的平行光束可以从第一面210射入，第二面220射入，也可以从第二面220射入，第一面210射出；同样的，经过第一光学元件200的光束可以从第三面310射入，地四面射出，也可以从第四面320射入，第三面310射入。一共可以分为四种情况，这四种情况均可以产生环形光束。

第二面220的母线与第一面210所成的角度为α，第三面310的母线与第四面320的夹角为β，第一光学元件200的折射率为n，第二光学元件300的折射率为m。α、β、n、m满足一定的条件，则出射光可以为平行于光轴的光。

如图1所示，当平行光束依次通过第一面210、第二面220、第三面310和第四面320时，α、β、n、m需要满足的条件是：

[α-arcsin(nsinα)]+[arcsin(m sinβ)-β]＝0

如图2所示，当平行光束依次通过第二面220、第一面210、第三面310和第四面320时，α、β、n、m需要满足的条件是：

如图3所示，当平行光束依次通过第一面210、第二面220、第四面320和第三面310时，α、β、n、m需要满足的条件是：

如图4所示，当平行光束依次通过第二面220、第一面210、第四面320和第三面310时，α、β、n、m需要满足的条件是：

这时出射的环形光与平行光束平行，出射光照射在聚焦透镜400，可以形成汇聚光束。

具体的，如图5所述，所述光束变换装置可以包括壳体，所述第一光学元件200和第二光学元件300分别活动连接于所述壳体内，可以使所述第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离可调，从而可以改变输出光的焦深，这样在加工的时候，比如切割厚的材料，需要焦深比较长，薄的材料，需要焦深比较短。通过改变第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离，可以改变射出的光束的光斑和焦深的大小，当第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离减小，出射光的光斑变小焦深变大；当第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离增大，出射光的光斑变大焦深变小。从而可以通过调节第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离对光束变换装置进行调试，从而找到最适合加工的配置。

进一步的，所述壳体内部间隔设置有多个插槽500，且多个所述插槽500沿所述光轴方向设置，所述第一光学元件200和第二光学元件300可选择的插接在所述插槽500内，以使所述第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离可调。从而可以改变输出光的焦深，这样在加工的时候，比如切割厚的材料，需要焦深比较长，薄的材料，需要焦深比较短。

所述第一光学元件200和第二光学元件300均可以包括边框，所述边框上可以设置有向外凸出的提拉部600，通过提拉部600可以非常方便地将第一光学元件200和第二光学元件300插入或者拔出插槽500，从而避免手碰触到镜面。

实施例2

如图6所述，与实施例1不同之处在于，所述壳体的内部设置有滑槽700，所述第一光学元件200和第二光学元件300分别与所述滑槽700滑动连接，第一面210和第三面310与滑动方向垂直，滑动第一光学元件200和第二光学元件300可以使所述第一光学元件200和第二光学元件300之间的距离可调。

进一步的，如图7-8所示，所述第一光学元件200和第二光学元件300均包括边框，所述边框包括连接杆，连接杆用于与滑槽700连接。所述滑槽700的横截面为“T”形，所述连接杆包括棱柱段810，所述棱柱段810的横截面为棱形，例如为正方形或长方形，当棱柱段810固定于滑槽700内时，棱柱段810将与滑槽700侧壁相抵，可以防止连接杆转动，从而避免在滑动过程中光路发生偏离。

所述连接杆包括圆柱段820，所述圆柱段820的外端露出所述壳体，以第一光学元件200为例，向所述壳体内推动所述圆柱段820，可以将所述棱柱段810推离所述滑槽700，限制解除后，可以将第一光学元件200转动180°，然后向下拉动圆柱段820，使棱柱段810再次固定于滑槽700内。这样可以改变第一光学元件200和/或第二光学元件300的朝向，从而方便了对光束变换装置的调试。

进一步的，所述圆柱段820上转动连接有锁紧螺母900，所述锁紧螺母900拧紧后抵住外壳下部，用于防止所述连接杆与滑槽700发生相对滑动。

综上所述，本发明提供的光束变换装置，包括准直组件100和光束变换单元，光源经过准直组件100可以形成平行光束，光束变换单元可以将平行光束转变为横截面为环形的环形光束。所述光束变换单元包括依次设置的第一光学元件200和第二光学元件300，所述第一光学元件200包括第一面210和第二面220，所述第二面220为向所述第一光学元件200内凹的圆锥面；经过第一光学元件200后的出射光为发散的，所述发散的出射光可以照射在第二光学元件300的入射面，且照射在所述第二光学元件300入射面上的各位置的光束的入射角相同。第二光学元件300包括第三面310和第四面320，所述第四面320与所述第一面210平行，所述第三面310为背向所述第四面320向外凸出的圆锥面，从第一光学元件200射出的发散光进入到第二光学元件300后，射出的光束可以变为平行的出射光。平行光束经过光束变换单元，将发生连续的折射，光束经过第一光学元件200的第二面220将向外发生折射，且位于光束中心位置的光将向外侧扩散，随后进入到第二光学元件300，再次经过第三面310的折射作用，最后从第二光学元件300输出的光的横截面为环形。环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。所以利用本发明提供的光束变换装置输出后的光束进行雕刻，得到的线条、文字、图案的轮廓、边缘清楚。

本发明提供的激光装置，包括光纤连接器和上述的光束变换装置，以及透镜组。光纤连接器发射的激光经过准直组件100后形成平行光束，平行光束经过光束变换单元，将发生连续的折射，光束经过第一光学元件200的第二面220将向外发生折射，且光束中心位置的光将向外侧扩散，随后进入到第二光学元件300，再次经过第三面310的折射作用，最后从第二光学元件300输出的光的横截面为环形，透镜组用于调整及准直从所述光束变换装置射出的光束，环形光束能量更加集中，对加工来说，刻的更细，刻的更深。激光装置输出后的光束进行雕刻，得到的线条、文字、图案的轮廓、边缘清楚。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种光束变换装置，其特征在于，包括准直组件和光束变换单元，所述准直组件用于形成平行光束，所述平行光束经过所述光束变换单元后的输出光束的横截面为环形；

所述光束变换单元包括依次设置的第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件包括第一面和第二面，所述第二面为向所述第一光学元件内凹的圆锥面；所述第一光学元件用于将平行入射光变为发散的出射光，所述发散的出射光照射在第二光学元件的入射面，且照射在所述第二光学元件入射面上的各位置的光束的入射角相同；

所述第二光学元件包括第三面和第四面，所述第四面与所述第一面平行，所述第三面为背向所述第四面向外凸出的圆锥面，第二光学元件用于将进入第二光学元件内的光束变为平行的出射光。

2.根据权利要求1所述的光束变换装置，其特征在于，所述第一光学元件的第二面与所述第二光学元件的第三面或者第四面相对；

或者，所述第一光学元件的第一面与所述第二光学元件的第三面或者第四面相对。

3.根据权利要求1所述的光束变换装置，其特征在于，所述光束变换装置包括壳体，所述第一光学元件和第二光学元件分别活动连接于所述壳体内，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调，用来调整从所述第二光学元件射出的输出光的焦深。

4.根据权利要求3所述的光束变换装置，其特征在于，所述壳体内部间隔设置有多个插槽，且多个所述插槽沿所述平行光束的光轴方向设置，所述第一光学元件和第二光学元件可选择的插接在所述插槽内，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调。

5.根据权利要求4所述的光束变换装置，其特征在于，所述第一光学元件和第二光学元件均包括边框，所述边框上设置有向外凸出的提拉部，用于将所述第一光学元件与第二光学元件推入或者拉出所述插槽。

6.根据权利要求5所述的光束变换装置，其特征在于，所述壳体内设置有滑槽，所述第一光学元件和第二光学元件分别与所述滑槽滑动连接，以使所述第一光学元件和第二光学元件之间的距离可调。

7.根据权利要求6所述的光束变换装置，其特征在于，所述第一光学元件和第二光学元件均包括边框，所述边框包括连接杆；所述滑槽的横截面为“T”形，所述连接杆包括棱柱段，所述棱柱段的横截面为棱形，所述棱柱段与所述滑槽滑动连接，用于阻止连接杆以自身中轴线为转轴发生转动。

8.根据权利要求7所述的光束变换装置，其特征在于，所述连接杆包括圆柱段，所述圆柱段的外端露出所述壳体，向所述壳体内推动所述圆柱段，用于将所述棱柱段推离所述滑槽，以使所述连接杆以自身中轴线为转轴发生转动。

9.根据权利要求8所述的光束变换装置，其特征在于，所述圆柱段上转动连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母拧紧后，用于防止所述连接杆与滑槽发生相对滑动。

10.一种激光装置，其特征在于，包括光纤连接器、透镜组和权利要求1-9任意一项所述的光束变换装置，所述透镜组用于调整及准直从所述光纤连接器射出的光束。