CN111283320A - 激光扩束镜及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光扩束镜及激光加工设备，激光扩束镜包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜及补偿镜组，第二透镜能相对于第一透镜移动，补偿镜组能相对于第一透镜及第二透镜移动，补偿镜组包括沿入射光束的传输方向依次设置的第三透镜及第四透镜，第三透镜与第四透镜相对静止。通过调节第二透镜相对于第一透镜的位置，能够改变激光扩束镜的扩束倍数，通过调节补偿镜组相对于第一透镜和第二透镜的位置，能够调节入射光束的发散角，提高成像质量。因此，将该激光扩束镜应用在激光加工设备中，不仅能够提高激光加工设备的适用性，还能提高加工效果。

Description

激光扩束镜及激光加工设备

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光扩束镜及激光加工设备。

背景技术

激光具有极好的单色性、相干性以及方向性，并且具有极高的亮度。因此，激光已经广泛地应用于切割、焊接等多个领域。大多数的激光加工设备通常都配备了扩束镜，以在聚焦镜头前获得较大直径的激光光束，但现有的扩束镜基本缺乏变倍能力，对于既定的应用领域，就需要使用特定的激光加工设备，激光加工设备的适用性收到较大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光扩束镜及激光加工设备，旨在解决现有的扩束镜缺乏变倍能力而致使激光加工设备适用性差的问题。

一种激光扩束镜，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜及补偿镜组，所述第二透镜能相对于所述第一透镜移动，所述补偿镜组能相对于所述第一透镜及所述第二透镜移动，所述补偿镜组包括沿所述入射光束的传输方向依次设置的第三透镜及第四透镜，所述第三透镜与所述第四透镜相对静止。

在其中一个实施例中，所述第一透镜为弯月型正透镜，所述第二透镜为双凹型负透镜，所述第三透镜为双凹型负透镜，所述第四透镜为双凸型正透镜。

在其中一个实施例中，所述第三透镜与所述第四透镜间隔设置，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的距离为d6，d6＝6mm，且公差范围为±2％。

在其中一个实施例中，所述激光扩束镜的扩束倍数为1.1-4倍；

所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的距离每减小1.6mm，所述激光扩束镜的扩束倍数增加0.1倍。

在其中一个实施例中，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的距离为d2，8mm≤d2≤60mm；

所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的距离为d4，75mm≤d4≤110mm。

在其中一个实施例中，

所述第一透镜在光轴上的中心厚度为d1，d1＝3mm，且公差范围为±2％；

所述第二透镜在光轴上的中心厚度为d3，d3＝2.5mm，且公差范围为±2％；

所述第三透镜在光轴上的中心厚度为d5，d5＝4mm，且公差范围为±2％；

所述第四透镜在光轴上的中心厚度为d7，d7＝6mm，且公差范围为±2％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜包括相对设置的第一曲面及第二曲面，所述第二曲面靠近所述第二透镜，所述第一曲面的曲率半径为31.98mm，且公差范围为±2％，所述第二曲面的曲率半径为93.66mm，且公差范围为±2％；

所述第二透镜包括相对设置的第三曲面及第四曲面，所述第四曲面靠近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径为-24.56mm，且公差范围为±2％，所述第四曲面的曲率半径为24.56mm，且公差范围为±2％；

所述第三透镜包括相对设置的第五曲面及第六曲面，所述第六曲面靠近所述第四透镜，所述第五曲面的曲率半径为-421.09mm，且公差范围为±2％，所述第六曲面的曲率半径为96.32mm，且公差范围为±2％；

所述第四透镜包括相对设置的第七曲面及第八曲面，所述第七曲面靠近所述第三透镜，所述第七曲面的曲率半径为232.34mm，且公差范围为±2％，所述第八曲面的曲率半径为-49.17mm，且公差范围为±2％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的材料的折射率与阿贝数的比值均为1.46：67.8。

一种激光加工设备，包括激光器以及上述的任一种激光扩束镜，所述激光器用于发出射入所述激光扩束镜的所述入射光束。

在其中一个实施例中，所述入射光束的波长为515nm，所述入射光束的直径为1-6mm。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

上述的激光扩束镜，第二透镜以及补偿镜组均能相对于第一透镜移动，通过调节第二透镜相对于第一透镜的位置，能够改变激光扩束镜的扩束倍数，通过调节补偿镜组相对于第一透镜和第二透镜的位置，能够调节入射光束的发散角，提高成像质量。因此，将该激光扩束镜应用在激光加工设备中，不仅能够提高激光加工设备的适用性，还能提高加工效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

其中：

图1为本发明实施例提供的激光扩束镜的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光扩束镜扩束倍数为1.1倍时的光路图；

图3为本发明实施例提供的激光扩束镜扩束倍数为2倍时的光路图；

图4为本发明实施例提供的激光扩束镜扩束倍数为3倍时的光路图；

图5为本发明实施例提供的激光扩束镜扩束倍数为4倍时的光路图；

图6为本发明实施例提供的激光扩束镜的传递函数曲线图；

图7为本发明实施例提供的激光扩束镜的点列图；

图8为本发明实施例提供的激光扩束镜的能量集中度图；

图9为本发明实施例提供的激光扩束镜的波像差图。

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的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

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。

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例的目的，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，一实施方式的激光扩束镜，用于激光加工设备中，且位于激光加工设备的激光器和聚焦镜组之间，激光扩束镜主要用于对激光器发射出的入射光束进行扩束准直处理，以进一步通过聚焦镜组聚焦于工作面上。

在本实施方式中，激光扩束镜包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2以及补偿镜组，第二透镜L2能相对于第一透镜L1移动，补偿镜组能相对于第一透镜L1及第二透镜L2移动，补偿镜组包括沿入射光束的传输方向依次设置的第三透镜L3及第四透镜L4，第三透镜L3与第四透镜L4相对静止。

本实施方式的激光扩束镜采用了倒置伽利略扩束构型，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4同轴设置，其中，第一透镜L1固定不动，第二透镜L2通过在第一透镜L1和补偿镜组之间移动，以改变激光扩束镜的扩束倍数，通过调节补偿镜组相对于第一透镜L1和第二透镜L2的位置，能够调节入射光束的发散角，提高成像质量。

需要说明的是，补偿镜组为微调结构，其在光轴上移动的范围远小于第二透镜L2在光轴上的移动范围。

通过调节第二透镜L2以及微调补偿镜组，本实施方式的激光扩束镜能够对波长λ为515nm，直径为1-6mm的入射光束实现1.1-4倍的准直扩束，且改善发散角。同时，本实施方式的激光扩束镜结构紧凑，系统全长不超过160mm。

一实施例中，第一透镜L1为弯月型正透镜，第二透镜L2为双凹型负透镜，第三透镜L3为双凹型负透镜，第四透镜L4为双凸型正透镜。

一实施例中，第一透镜L1包括相对设置的第一曲面S1及第二曲面S2，第二曲面S2靠近第二透镜L2，第一曲面S1的曲率半径为31.98mm，且公差范围为±2％，第二曲面S2的曲率半径为93.66mm，且公差范围为±2％。

第二透镜L2包括相对设置的第三曲面S3及第四曲面S4，第四曲面S4靠近第三透镜L3，第三曲面S3的曲率半径为-24.56mm，且公差范围为±2％，第四曲面S4的曲率半径为24.56mm，且公差范围为±2％。

第三透镜L3包括相对设置的第五曲面S5及第六曲面S6，第六曲面S6靠近第四透镜L4，第五曲面S5的曲率半径为-421.09mm，且公差范围为±2％，第六曲面S6的曲率半径为96.32mm，且公差范围为±2％。

第四透镜L4包括相对设置的第七曲面S7及第八曲面S8，第七曲面S7靠近第三透镜L3，第七曲面S7的曲率半径为232.34mm，且公差范围为±2％，第八曲面S8的曲率半径为-49.17mm，且公差范围为±2％。

一实施例中，第一透镜L1在光轴上的中心厚度为d1，d1＝3mm，且公差范围为±2％。

第二透镜L2在光轴上的中心厚度为d3，d3＝2.5mm，且公差范围为±2％。

第三透镜L3在光轴上的中心厚度为d5，d5＝4mm，且公差范围为±2％。

第四透镜L4在光轴上的中心厚度为d7，d7＝6mm，且公差范围为±2％。

一实施例中，第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的距离为d2，8mm≤d2≤60mm。

第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的距离为d4，75mm≤d4≤110mm。

第三透镜L3与第四透镜L4间隔设置，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的距离为d6，d6＝6mm，且公差范围为±2％。

需要说明的是，第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的距离d2也就是第一透镜L1的第二曲面S2至第二透镜L2的第三曲面S3的轴上距离，d4、d6同理。±2％代表的是曲率半径、中心厚度、轴上距离等参数的变化量，例如，d1＝3mm，且公差范围为±2％，也可以表示为2.94mm≤d1≤3.06mm。

一实施例中，第一透镜L1的材料JGS1的折射率Nd1与阿贝数Vd1的比值为1.46：67.8，其中，阿贝数是指用以表示透明介质色散能力的指数，JGS1代表融石英玻璃。第二透镜L2的材料JGS1的折射率Nd2与阿贝数Vd2的比值为1.46：67.8，第三透镜L3的材料JGS1的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比值为1.46：67.8，第四透镜L4的材料JGS1的折射率Nd4与阿贝数Vd4的比值为1.46：67.8。

表1 示出了一实施例的激光扩束镜的具体设计数据。

【表1】

在本实施方式中，激光扩束镜的扩束倍数与第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的距离d2成线性关系，且满足关系式：y＝-16.313x+73.283，其中，y表示d2，x表示扩束倍数。基本上，d2每减小1.6mm，激光扩束镜的扩束倍数增加0.1倍。

表2 示出了一实施例的激光扩束镜的扩束倍数与d2、d4的数据。

【表2】

由此可见，本实施方式的激光扩束镜具备精准连续变倍能力，0.1倍的扩束倍数变化，第二透镜L6移动1.6mm左右，移动量较大。图2至图5分别示出了激光扩束镜在扩束倍数为1.1倍、2倍、3倍及4倍时的光路图，可以看出，随着第二透镜L2的向左移动，激光扩束镜的扩束倍数逐渐增加，入射光束经过激光扩束镜后的直径逐渐增大。

根据上述参数设计的激光扩束镜，不仅能够实现1.1-4倍的精准连续变倍，以提高激光加工设备的适用性，同时其抗损伤阈值高，可以得到较为理想的聚焦光斑，进而保证激光加工设备的加工精度和效率。

图6示出了波长为515nm的入射光束经过激光扩束镜扩束后的MTF(ModulationTransfer Function，调制传递函数)图。经过激光扩束镜后，MTF曲线已经与衍射极限曲线接近完美重合，性能接近极限。

图7分别示出了波长为515nm的入射光束在0°、0.035°、0.05°视场角方向的光斑点的分布状态。可以看出，当入射光束在0°-0.055°入射角度的情况下，其经过激光扩束镜后的光束质量所能形成的弥散斑半径远小于艾里斑，表明整个视场的像质均达到了极限水平。

图8示出了能量集中度图，可以看出，整个视场的能量集中度是很高的，成像质量非常优异。

本实施例的激光扩束镜能够使得波像差小于λ/100，波像差就是实际波面与理想波面之间的光程差，波像差越小，说明成像质量越好。图9示出了一实施例的波像差图，从该图中可以看出，波像差的RMS值为0.001λ，波像差很小，说明成像质量非常优异。

综合以上描述，可知，本实施方式的激光扩束镜至少具备以下效果：

(1)采用倒置伽利略扩束构型，结构紧凑，系统总长不超过160mm；

(2)入瞳直径大，最大入射光束的直径可达6mm；

(3)能够实现1.1-4倍的精准连续变倍，第二透镜L2每移动1.6mm，扩束倍数变化0.1；

(4)抗损伤阈值高，采用融石英玻璃JGS1材料与双分离补偿镜组结构，可广泛应用于高功率激光加工领域；

(5)成像质量优异；

(6)加工难度小，成本低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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申请专利范围的限制。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 (10)

1.一种激光扩束镜，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜及补偿镜组，所述第二透镜能相对于所述第一透镜移动，所述补偿镜组能相对于所述第一透镜及所述第二透镜移动，所述补偿镜组包括沿所述入射光束的传输方向依次设置的第三透镜及第四透镜，所述第三透镜与所述第四透镜相对静止。

2.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜为弯月型正透镜，所述第二透镜为双凹型负透镜，所述第三透镜为双凹型负透镜，所述第四透镜为双凸型正透镜。

3.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，所述第三透镜与所述第四透镜间隔设置，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的距离为d6，d6＝6mm，且公差范围为±2％。

4.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，所述激光扩束镜的扩束倍数为1.1-4倍；

所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的距离每减小1.6mm，所述激光扩束镜的扩束倍数增加0.1倍。

5.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的距离为d2，8mm≤d2≤60mm；

所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的距离为d4，75mm≤d4≤110mm。

6.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，

所述第一透镜在光轴上的中心厚度为d1，d1＝3mm，且公差范围为±2％；

所述第二透镜在光轴上的中心厚度为d3，d3＝2.5mm，且公差范围为±2％；

所述第三透镜在光轴上的中心厚度为d5，d5＝4mm，且公差范围为±2％；

所述第四透镜在光轴上的中心厚度为d7，d7＝6mm，且公差范围为±2％。

7.根据权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于，所述第一透镜包括相对设置的第一曲面及第二曲面，所述第二曲面靠近所述第二透镜，所述第一曲面的曲率半径为31.98mm，且公差范围为±2％，所述第二曲面的曲率半径为93.66mm，且公差范围为±2％；

所述第二透镜包括相对设置的第三曲面及第四曲面，所述第四曲面靠近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径为-24.56mm，且公差范围为±2％，所述第四曲面的曲率半径为24.56mm，且公差范围为±2％；

所述第三透镜包括相对设置的第五曲面及第六曲面，所述第六曲面靠近所述第四透镜，所述第五曲面的曲率半径为-421.09mm，且公差范围为±2％，所述第六曲面的曲率半径为96.32mm，且公差范围为±2％；

所述第四透镜包括相对设置的第七曲面及第八曲面，所述第七曲面靠近所述第三透镜，所述第七曲面的曲率半径为232.34mm，且公差范围为±2％，所述第八曲面的曲率半径为-49.17mm，且公差范围为±2％。

8.根据权利要求1所述的激光扩束镜，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的材料的折射率与阿贝数的比值均为1.46：67.8。

9.一种激光加工设备，其特征在于，包括激光器以及如权利要求1-8任意一项所述的激光扩束镜，所述激光器用于发出射入所述激光扩束镜的所述入射光束。

10.根据权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，所述入射光束的波长为515nm，所述入射光束的直径为1-6mm。

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