CN108681085A - 通用型准分子激光光束汇聚装置 - Google Patents

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郭佳昌
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Abstract

通用型准分子激光光束汇聚装置，属于激光加工及其应用技术领域。包括扩束装置和拉锥石英玻璃管，扩束装置使准分子激光与拉锥石英玻璃管的口径相匹配，拉锥石英英玻璃管的入射端和出射端均平行且厚度均匀，拉锥部分管壁厚度也随着管子直径的变化而变化，且内外径之比不变，整个拉锥部分和出射端的内外径之比为5/8‑9/10中任意一个值。整个装置具有对准分子激光进行整形和均束的能力，在条件允许的情况下可以直接拉锥石英玻璃管(3)对激光进行整形和均束，这种光学元件的发明对于激光的应用具有很大的贡献。

Description

通用型准分子激光光束汇聚装置
技术领域
本发明涉及光学元件，尤其涉及一种熔融拉锥形成的的激光整形原件
背景技术
准分子激光器是属于紫外波段的激光器，其应用极为广泛。由于准分子激光本身直接对分子间的化学键起作用，没有热效应，所以被归属于冷加工范畴。同时由于它的方向性好、输出功率大、易吸收等特点被广泛的应用于包括激光加工、医学等领域。但受到去工作模式的限制，准分子激光器输出的激光为高阶多模光束，能量分布不均匀，这对准分子激光器的进一步推广有很大的影响。其实不仅仅是准分子激光，还有很多激光器都存在光斑形状和均匀性的问题，这一需求带动了整形和均束装置的设计。
为了解决光束的均匀性和形状问题，就需要对原始输出的激光光束的光强分布进行整形以及均匀化处理。如果能够解决激光光束的光束形状和均匀性问题，就可以极大的扩展包括准分子激光在内的多种激光在各个应用领域内的应用。
发明内容
本专利的提供一种特殊设计的激光整形光学元件，其具有结构简单、可实现整形和匀光效果。通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：包括拉锥石英玻璃管，拉锥石英英玻璃管的入射端和出射端均平行且厚度均匀，拉锥部分管壁厚度也随着管子直径的变化而变化，且内外径之比不变，整个拉锥部分和出射端的内外径之比为5/8-9/10中任意一个值。进一步，入射端的长度在50-100mm，出射端的长度在5-10mm；出射端口径小于5mm。
本发明提供一种激光整形光学元件，包括在光线传播方向上的一整个连续的光学面，所述的光学面为连续的、整体的、弧度连续变化的石英管壁，用于接收并反射入射光，同时校调光束的传播方向，同时改变光束形状。
所述的光学元件为紫外熔融石英管材，其中材料并不仅仅局限于熔融石英，这仅仅是因为在发明实例中该材料对准分子激光的吸收较少，在相同的情况下准分子激光对这种材料的破坏阈值较高，所以针对准分子激光器选用熔融石英作为拉锥管的材料。优选地，所述的光学元件为中空管状结构，减少光束在进入光学元件时的损失。优选的，所述的光学元件的光学面的粗糙度Ra<0.5微米，这里的粗糙度是为了使光束更好的向预定的方向反射，使整个装置更符合设计值，这里的粗糙度只要能到达光束均匀反射的程度就好。
优选的，所述的光学元件的光学面表面镀增反膜层，在发明实例中，此膜层为金属铝膜，金属膜对准分子激光的反射率较高，所以在本发明实例中优选金属铝膜，本装置在用于其他波段激光器时应根据不同激光的不同特性有针对的镀膜，以使得整个装置的效果最优。镀膜区域在发明实例中是整个拉锥部分，具体镀铝膜区域见图1阴影部分，这里可根据之前扩束装置的效果和初始光束的口径进一步确定镀膜区域。
进一步，包括扩束装置和拉锥石英玻璃管，扩束装置使准分子激光与拉锥石英玻璃管的口径相匹配。
作为一个具体方式，扩束装置包括第一球面透镜(1)和第二球面透镜(2)，第一球面透镜(1)的焦距大于第二球面透镜(2)的焦距，两透镜焦点位于透镜之间且相互重合。扩束装置使得通过该扩束装置的光束口径符合拉锥石英玻璃管(3)的入射端口径，即小于25mm。
所述的拉锥石英玻璃管(3)由一个可调节高度和角度的金属装置压紧固定，高度和角度均由该方向上的两个螺丝来调节，使光束的主轴与拉锥石英玻璃管(3)的主轴相互重合。所述的光学元件直接由熔融拉锥过程一次性产生，整个管子的入射端口径不得大于25mm，出射端口径不得大于10mm。整个光学元件结构简单，可实现整形、汇聚和匀光效果。
附图说明
图1是本发明光束汇聚装置主要元器件的结构示意图；
图2是本发明光束汇聚装置主要元器件的剖面图
图3是本发明光束汇聚装置在实施过程中的光学元件放置顺序图；
图4是本发明光束汇聚装置固定主要光学器件的机械装置结构图；
图5是本发明光束汇聚装置在实施过程中的主要光学元件的装调示意图；
图6和图7分别为原始光束和经装置改良后的光束打在感光纸上的实际效果图。
具体实施方式
对于本激光汇聚装置，有如下实施方式：
图1所示为本发明实例中激光汇聚元件的结构示意图。在本实施方式中，包括沿光线传播方向一次排列第一球面透镜(1)、第二球面透镜(2)、拉锥石英玻璃管(3)，所述的拉锥石英玻璃管用于接收并进一步汇聚光束，同时改良光束均匀性；所述的拉锥石英玻璃管在图1阴影部分镀有铝膜，用于增加本发明实例中对于准分子激光的反射率，以减少光能的损失。
图2是本发明中激光汇聚元件的剖面图，图中随着石英玻璃管外径的变化，石英玻璃管的管壁厚度也随着管子直径的变化而变化，且管壁与石英玻璃管的比例保持不变。
在本发明实例中镀膜部分为曲率和厚度连续变化的管状结构。通过该结构可将光束微分化处理。光束入射到拉锥石英玻璃管外表面时由于不同位置的曲率不同，导致光束并不会汇聚向同一个水平面上，而是沿着光束传播的方向以不同角度继续传播，经多次叠加之后达到匀光的效果。
拉锥石英玻璃管本身为特殊设计的变曲率锥形石英玻璃管，其中拉锥石英英玻璃管的入射端和出射端均平行且厚度均匀，入射端的长度在50-100mm，该部分主要起对装置进行固定作用，过长则增加安装的难度；出射端的长度在5-10mm，这能使光束通过后获得更良好的均匀性，但过长的出射端会由于管壁过薄使得管壁弯曲，影响出射的光线角度和能量损失；出射端口径小于5mm，直径过大无法起到均束的作用且增加了制作的难度。拉锥部分管壁厚度也随着管子直径的变化而变化，且内外径之比不变。
在本发明实例中拉锥石英玻璃管的入射端和出射端均未镀膜，通过石英玻璃管拉锥区域的光束在拉锥区域经过多次反射进入出射端，在出射端的平行玻璃管区域符合全反射定律，所以此处的光在石英玻璃管中不存在泄露现象；经过多次反射之后光束射出。
图5是本发明光束汇聚装置在实施过程中的主要光学元件的装调示意图，为了减少光束能量的损失，要使得玻璃管的轴线与光束传播的轴线相重合，所以设计一机械结构使得拉锥石英玻璃管在固定之后可以通过调节图4中两个旋钮调节拉锥石英玻璃管的倾斜角度，从而使得拉锥石英玻璃管的轴线与光线主轴相重合。
上述激光汇聚元件中所述的第一球面透镜(1)、第二球面透镜(2)属于扩束部分，主要起到使得初始光束与拉锥石英玻璃管入射端口径想匹配的作用，发明实例中的作用是使得长宽分别为35.3mm和16.5mm的准分子激光缩小至20mm，使之与拉锥石英玻璃管的口径相匹配，并非是使用该光学元件时所必须的元器件，仅仅为本发明的发明实例中针对准分子激光器的一种使用方式。
图6为原始光束击打在感光纸上的实际效果图，感光纸在受到激光照射后能显现出受到光斑照射的具体区域，且根据能量强度的不同呈现出不同的颜色深浅，在图6中可以看出准分子激光器的原始光斑的能量分布较为不均匀，且光斑面积为35.5mm×16.5mm，光斑面积较大，加工速度达不到目前生产力的要求。
图7为经过发明实例后打在感光纸上的实际效果图，在图7中看出经过发明实例后整个光斑面积缩小为1.5mm的圆形光斑，且能量密度大于初始光斑的能量密度，起到了汇聚和均束的效果。
需要注意的是，上述阐述中的具体参数仅仅是示例性的，各光学面参数如材料、长度、半径等并不限于上述实例中所示数值，采用类似结构和参数均可达到类似的发明技术效果。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明为只是为了帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，依据本发明实例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：包括拉锥石英玻璃管，拉锥石英英玻璃管的入射端和出射端均平行且厚度均匀，拉锥部分管壁厚度也随着管子直径的变化而变化，且内外径之比不变，整个拉锥部分和出射端的内外径之比为5/8-9/10中任意一个值。
2.根据权利要求1所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：入射端的长度在50-100mm，出射端的长度在5-10mm。
3.根据权利要求1所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：出射端口径小于5mm。
4.根据权利要求1所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：包括扩束装置和拉锥石英玻璃管，扩束装置使准分子激光与拉锥石英玻璃管的口径相匹配。
5.根据权利要求4所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：
扩束装置包括第一球面透镜(1)和第二球面透镜(2)，第一球面透镜(1)的焦距大于第二球面透镜(2)的焦距，两透镜焦点位于透镜之间且相互重合。
6.根据权利要求4所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：扩束装置使得通过该扩束装置的光束口径符合拉锥石英玻璃管(3)的入射端口径，即小于25mm。
7.根据权利要求1所述的通用型准分子激光光束汇聚装置，其特征在于：所述的拉锥石英玻璃管(3)由一个可调节高度和角度的金属装置压紧固定，高度和角度均由该方向上的两个螺丝来调节，使光束的主轴与拉锥石英玻璃管(3)的主轴相互重合。
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