CN107807451B - 一种便携式可变焦点长度光学系统 - Google Patents

Abstract

一种便携式可变焦点长度光学系统，包括：激光发生器、变倍扩束机构、平顶光束整形机构与贝塞尔光束整形机构，变倍扩束机构、平顶光束整形机构及贝塞尔光束整形机构沿激光发生器的光束方向依次排列。本发明的便携式可变焦点长度光学系统通过设置激光发生器、变倍扩束机构、平顶光束整形机构与贝塞尔光束整形机构，从而可以改变激光焦点的长度。能够根据激光功率以及切割样品的厚度等因素，选择合适的焦点长度，并利用平顶光束整形机构使光束聚焦能量均匀化，从而将激光会聚成一条能量均匀的针型加工线，实现透明材料的“一刀切”，提高切割效率。具有系统结构紧凑，便于封装携带，灵活性强的特点。

Description

一种便携式可变焦点长度光学系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种便携式可变焦点长度光学系统。

背景技术

近年来，许多透明无机材料逐渐由传统的金刚石切割转向激光切割，比如玻璃、石英和蓝宝石切割等。但限于激光发出的光束为高斯光束(一种中间能量密度高两边低的光束)，经过透镜聚焦后，焦点呈现三角形，并且焦深短(约几十微米)，所以切割玻璃要一层一层往下去，切割效率低并且玻璃边缘锥度大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种便携式可变焦点长度光学系统，可根据激光功率大小与样品材料特性，拉长合适的焦点长度。并且利用平顶光束整形机构，对能量进行均匀化，从而使激光会聚成一条能量均匀的针型能量线，提高透明材料切割效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种便携式可变焦点长度光学系统，包括：激光发生器、变倍扩束机构、平顶光束整形机构与贝塞尔光束整形机构，所述变倍扩束机构、所述平顶光束整形机构及所述贝塞尔光束整形机构沿所述激光发生器的光束方向依次排列；

所述变倍扩束机构包括：第一变倍凹透镜、第一变倍凸透镜、第二变倍凹透镜与第二变倍凸透镜，所述第一变倍凹透镜、所述第一变倍凸透镜、所述第二变倍凹透镜及所述第二变倍凸透镜依次排列设置，所述第一变倍凹透镜与所述第一变倍凸透镜可进行相互靠近或远离的运动。

在本实施例一实施方式中，所述激光发生器为皮秒激光器。

在本实施例一实施方式中，所述平顶光束整形机构包括非球面镜与整形凸透镜，所述非球面镜的非球面型为旋转对称偶次非球面。

在本实施例一实施方式中，所述贝塞尔光束整形机构包括：锥型镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、凸透镜、第三平面反射镜与聚集镜，所述锥型镜通过所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜将光束反射到所述凸透镜上，所述凸透镜通过所述第三平面反射镜将光束反射到所述聚集镜上。

在本实施例一实施方式中，所述锥型镜的出射贝塞尔光束的长度L、锥角θ、出射贝塞尔光束与光轴的夹角β及入射平顶光束直径D满足下面条件公式：L＝D(cotβ-cotθ)。

在本实施例一实施方式中，所述锥型镜出射贝塞尔光束与光轴的夹角β满足下面条件公式：

其中n为所述锥型镜的折射率，θ是所述锥型镜的锥角。

在本实施例一实施方式中，所述凸透镜与所述聚集镜之间的距离大于所述凸透镜的焦距，且小于所述凸透镜的实际会聚光束距离。

在本实施例一实施方式中，所述聚集镜为非球面透镜。

在本实施例一实施方式中，还包括箱体外壳，所述变倍扩束机构、所述平顶光束整形机构及所述贝塞尔光束整形机构安装在所述箱体外壳内。

在本实施例一实施方式中，所述箱体外壳内安装有第四平面反射镜与第五平面反射镜，所述平顶光束整形机构通过所述第四平面反射镜与第五平面反射镜将光束反射到所述锥型镜上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的便携式可变焦点长度光学系统通过设置激光发生器、变倍扩束机构、平顶光束整形机构与贝塞尔光束整形机构，从而可以改变激光焦点的长度。能够根据激光功率以及切割样品的厚度等因素，选择合适的焦点长度，并利用平顶光束整形机构使光束聚焦能量均匀化，从而将激光会聚成一条能量均匀的针型加工线，实现透明材料的“一刀切”，提高切割效率。具有系统结构紧凑，便于封装携带，灵活性强的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例的便携式可变焦点长度光学系统的结构图；

图2为本发明一实施例的便携式可变焦点长度光学系统的激光焦点的丝状会聚焦状态图；

图3为本发明一实施例的蓝宝石采用便携式可变焦点长度光学系统进行切割操作后的状态图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为本发明一实施例的便携式可变焦点长度光学系统10的结构图。

一种便携式可变焦点长度光学系统10，包括：激光发生器100、变倍扩束机构200、平顶光束整形机构300与贝塞尔光束整形机构400，变倍扩束机构100、平顶光束整形机构300及贝塞尔光束整形机构400沿激光发生器100的光束方向依次排列。

变倍扩束机构200包括：第一变倍凹透镜210、第一变倍凸透镜220、第二变倍凹透镜230与第二变倍凸透镜240，第一变倍凹透镜210、第一变倍凸透镜220、第二变倍凹透镜230及第二变倍凸透镜240依次排列设置，第一变倍凹透镜210与第一变倍凸透镜220可进行相互靠近或远离的运动，从而实现对入射光束的不同倍数的扩束的调节。

在本实施例中，激光发生器100为皮秒激光器，激光发生器100用于入射光源，而激光发生器出射的光束为高斯光束。

平顶光束整形机构300包括非球面镜310与整形凸透镜320，且非球面镜310的非球面型为旋转对称偶次非球面。非球面镜310用于将高斯光束整形为平顶光束，整形凸透镜320用于准直平顶光束。

贝塞尔光束整形机构400包括：锥型镜410、第一平面反射镜420、第二平面反射镜430、凸透镜440、第三平面反射镜450与聚集镜460，锥型镜410通过第一平面反射镜420与第二平面反射镜430将光束反射到凸透镜440上，凸透镜440通过第三平面反射镜450将光束反射到聚集镜460上。锥型镜410用于将平顶光束整形为贝塞尔光束，凸透镜440和聚集镜460用于将长贝塞尔光束变为小贝塞尔光束。

在本实施例中，锥型镜410的出射贝塞尔光束的长度L、锥角θ、出射贝塞尔光束与光轴的夹角β及入射平顶光束直径D满足下面条件公式：L＝D(cotβ-cotθ)。

锥型镜410出射贝塞尔光束与光轴的夹角β满足下面条件公式：其中n为锥型镜的折射率，θ是锥型镜的锥角。

进一步的，凸透镜440与聚集镜460之间的距离大于凸透镜440的焦距，且小于凸透镜440的实际会聚光束距离，聚集镜460为非球面透镜。

请再次参阅图1，便携式可变焦点长度光学系统10还包括箱体外壳500，变倍扩束机构200、平顶光束整形机构300及贝塞尔光束整形机构400安装在箱体外壳500内。

箱体外壳500内安装有第四平面反射镜110与第五平面反射镜120，平顶光束整形机构300通过第四平面反射镜110与第五平面反射镜120将光束反射到锥型镜410上，通过设置箱体外壳500将变倍扩束机构200、平顶光束整形机构300及贝塞尔光束整形机构400进行集成安装，使得系统结构紧凑，便于封装携带，灵活性强。

在本实施例中，聚集镜460固定在机械升降台(图未示)，从而可以对其高度进行升降调节，由此方便调节聚集镜460与凸透镜440之间的距离。

结合图1所示，本发明的工作原理如下：

在进行激光切割操作时，激光发生器100发出脉冲激光，脉冲激光通过变倍扩束机构200上的第一变倍凹透镜210、第一变倍凸透镜220、第二变倍凹透镜230与第二变倍凸透镜240，从而扩大脉冲激光的扩束倍数，使激光发生器100发出的激光为扩大倍数的平行高斯光束。

激光经变倍扩束机构200扩大倍数后，经过平顶光束整形机构300，通过平顶光束整形机构300上的非球面镜310与整形凸透镜320将原来的高斯光束整形为平顶光束，然后经过第四平面反射镜110与第五平面反射镜120耦合到锥型镜410，从而通过锥型镜410将平顶光束整形为贝塞尔光束，最后激光通过第一平面反射镜420、第二平面反射镜430、凸透镜440、第三平面反射镜450与聚集镜460的整形后会聚成丝状焦点，由此可以提高切割效率。

通过对第一变倍凹透镜210、第一变倍凸透镜220、锥型镜410及聚集镜460的移动调节，从而可以对激光焦点深度的伸长或缩短的调节，由此适应不同材料的激光切割操作。

通过设置箱体外壳500将变倍扩束机构200、平顶光束整形机构300及贝塞尔光束整形机构400进行集成安装，使得系统结构紧凑，便于封装携带，灵活性强。

结合图2所示，激光发生器100发出高斯光束经过整形后，可以将激光整形为丝状长焦深。

当需要把另一台同波长的激光发生器100发出的高斯光束整形为丝状长焦深时，根据激光发生器100出射的高斯光束的发散角与光束大小，然后调整第一变倍凹透镜210、第一变倍凸透镜220、锥型镜410及聚集镜460的位置，就能使激光整形为丝状长焦深，使得系统的使用更加灵活方便。

如图3所示，在本实施方式一实施例中，采用便携式可变焦点长度光学系统10对耐热性强的蓝宝石进行切割，通过设置合适的光学系统的参数与找到合适的加工高度，从而能够进行一刀切割操作，其切割横截面具有细腻光滑无毛刺的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的便携式可变焦点长度光学系统10通过设置激光发生器100、变倍扩束机构200、平顶光束整形机构300与贝塞尔光束整形机构400，从而可以改变激光焦点的长度。能够根据激光功率以及切割样品的厚度等因素，选择合适的焦点长度，并利用平顶光束整形机构300使光束聚焦能量均匀化，从而将激光会聚成一条能量均匀的针型加工线，实现透明材料的“一刀切”，提高切割效率。具有系统结构紧凑，便于封装携带，灵活性强的特点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种便携式可变焦点长度光学系统，其特征在于，包括：激光发生器、变倍扩束机构、平顶光束整形机构与贝塞尔光束整形机构，所述变倍扩束机构、所述平顶光束整形机构及所述贝塞尔光束整形机构沿所述激光发生器的光束方向依次排列；

所述变倍扩束机构包括：第一变倍凹透镜、第一变倍凸透镜、第二变倍凹透镜与第二变倍凸透镜，所述第一变倍凹透镜、所述第一变倍凸透镜、所述第二变倍凹透镜及所述第二变倍凸透镜依次排列设置，所述第一变倍凹透镜与所述第一变倍凸透镜可进行相互靠近或远离的运动；

所述平顶光束整形机构包括非球面镜与整形凸透镜，所述非球面镜的非球面型为旋转对称偶次非球面；

所述贝塞尔光束整形机构包括：锥型镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、凸透镜、第三平面反射镜与聚集镜，所述锥型镜通过所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜将光束反射到所述凸透镜上，所述凸透镜通过所述第三平面反射镜将光束反射到所述聚集镜上；

所述锥型镜的出射贝塞尔光束的长度L、锥角θ、出射贝塞尔光束与光轴的夹角β及入射平顶光束直径D满足下面条件公式：L＝D(cotβ-cotθ)；

所述锥型镜出射贝塞尔光束与光轴的夹角β满足下面条件公式：其中n为所述锥型镜的折射率，θ是所述锥型镜的锥角；

所述凸透镜与所述聚集镜之间的距离大于所述凸透镜的焦距，且小于所述凸透镜的实际会聚光束距离；

所述聚集镜固定在机械升降台，所述机械升降台用于对所述聚集镜的高度进行升降调节。

2.根据权利要求1所述的便携式可变焦点长度光学系统，其特征在于，所述激光发生器为皮秒激光器。

3.根据权利要求1所述的便携式可变焦点长度光学系统，其特征在于，所述聚集镜为非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的便携式可变焦点长度光学系统，其特征在于，还包括箱体外壳，所述变倍扩束机构、所述平顶光束整形机构及所述贝塞尔光束整形机构安装在所述箱体外壳内。

5.根据权利要求4所述的便携式可变焦点长度光学系统，其特征在于，所述箱体外壳内安装有第四平面反射镜与第五平面反射镜，所述平顶光束整形机构通过所述第四平面反射镜与第五平面反射镜将光束反射到所述锥型镜上。