CN112255813B - 一种小型紫外激光器扩束准直装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种小型紫外激光器扩束准直装置，属于激光的技术领域，其包括沿紫外激光传输方向依次设置的第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜位于同一光轴，第一透镜设置为平凹型球面透镜，第二透镜设置为平凸型球面透镜，扩束准直装置为无焦装置；第一透镜的光焦度φ1<0。与相关技术相比，本申请，具有使紫外激光扩束准直装置更加小型化的效果。

Description

一种小型紫外激光器扩束准直装置

技术领域

本申请涉及激光的领域，尤其是涉及一种小型紫外激光器扩束准直装置。

背景技术

传统的激光扩束系统通常分为伽利略望远镜式激光扩束系统和开普勒望远镜式激光扩束系统。其中伽利略望远镜式由负透镜和正透镜结合，开普勒望远镜式由两个正透镜结合。由于该激光扩束系统主要应用于激光加工工艺中，且为了使接收的光源功率较大，因此将内部无焦的伽利略望远镜式激光扩束系统作为基本选型。激光扩束装置中不光要完成相应倍率的扩束，同时也要保证出射光的光束质量。

在激光实际应用领域，外部光路的使用空间往往受到限制，且有节约空间的要求，因此对激光扩束准直装置的工作总长提出了更高的要求，而传统的激光扩束准直装置通常需要利用较长的工作距离，增加了激光实际应用中外光路的搭建空间。

发明内容

为了使激光扩束准直装置更加小型化，本申请提供一种小型紫外激光器扩束准直装置。

本申请提供的一种小型紫外激光器扩束准直装置采用如下的技术方案：

一种小型紫外激光器扩束准直装置，包括沿紫外激光传输方向依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜位于同一光轴，所述第一透镜设置为平凹型球面透镜，所述第二透镜设置为平凸型球面透镜，所述扩束准直装置为无焦装置。

通过采用上述技术方案，第一透镜具有发散的作用，能够将入射光束进行发散，以扩大入射光束的直径，第二透镜为平凸型球面透镜，具有聚焦准直的作用，从而能够将经过第一透镜的入射光束进行聚焦，使聚焦后的出射光束变为平行光束，且由于扩束准直装置无焦，因此不会出现会聚焦点的情况，除此之外，透镜单元少，总长也会变小，从而在保证扩束准直效果的前提下，能够使激光扩束准直装置更加小型化，进而有利于减小激光实际应用中外光路的搭建空间。

可选的，所述第一透镜的光焦度φ1<0。

通过采用上述技术方案，在保证小型化的前提下，能够对激光束进行扩束准直，并提高出射光束的光束质量。

可选的，所述第一透镜包括第一曲面和第二平面，所述第二透镜包括第三平面和第四曲面，所述第一曲面用于与紫外激光源相邻，所述第二平面与第三平面相邻。

通过采用上述技术方案，入射光束经第一曲面折射后发散并从第二平面出射并射向第三平面，实现入射光束发散的效果，并罗达入射光束的直径，入射光束从蝶儿平面出来后照射向第三平面并经过第四曲面后被聚焦，从而得到平行光束，从而能够扩束准直的效果；且第一透镜和第二透镜均有平面结构，便于对第一透镜和第二透镜进行加工调整。

可选的，所述第一曲面的曲率半径大于等于-7.917mm且小于等于-7.817mm，所述第四曲面的曲面半径大于等于-23.638mm且小于等于-23.538mm。

可选的，所述第一透镜的中心厚度大于等于1.95mm且小于等于2.15mm。

可选的，所述第二透镜的中心厚度大于等于2.95mm且小于等于3.05mm。

可选的，所述第一透镜和第二透镜的空气间隔大于等于28.733mm且小于等于28.833mm。

可选的，所述第一透镜的折射率为Nd1=1.458，所述第一透镜的阿贝数为Vd1=67.82。

可选的，所述第二透镜的折射率为Nd2=1.458，所述第二透镜的阿贝数为Vd2=67.82。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本申请提供一种小型紫外激光器扩束准直装置，通过第一透镜和第二透镜的共同作用，在保证扩束倍率和准直效果的前提下，能够使紫外激光扩束准直装置更加小型化，进而有利于减小激光实际应用中外光路的搭建空间。

附图说明

图1是本申请实施例的整体的结构示意图。

图2是本申请实施例的整体的光路图。

图3是本申请实施例进行仿真得到的光学调制传递函数MTF图。

图4是本申请实施例进行仿真得到的点列图。

附图标记说明：L1、第一透镜；L2、第二透镜；S1、第一曲面；S2、第二平面；S3、第三平面；S4、第四曲面；d1、第一透镜的中心厚度；d2、空气间隔；d3、第二透镜的中心厚度。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种小型紫外激光器扩束准直装置。参照图1，为了使激光扩束准直装置更加小型化，小型紫外激光器扩束准直装置包括用于沿激光传输方向依次设置的扩束组件和准直组件，扩束组件包括第一透镜L1，准直组件包括第二透镜L2。第一透镜L1和第二透镜L2位于同一光轴，第一透镜L1设置为平凹型球面透镜，第二透镜L2设置为平凸型球面透镜，扩束准直装置为无焦装置。第一透镜L1和第二透镜L2构成伽利略式望远系统，且无焦，因此在工作过程中不会发出会聚焦点的情况。

参照图1，为了在保证小型化的前提下，能够提高出射光束的光束质量。第一透镜L1的光焦度φ1<0，第二透镜L2的光焦度φ2>0。为了在保证扩束倍率和光束质量的前提下，便于对第一透镜L1和第二透镜L2进行加工和调整。第一透镜L1包括第一曲面S1和第二平面S2，第二透镜L2包括第三平面S3和第四曲面S4，第一曲面S1用于与紫外激光源相邻，第二平面S2与第三平面S3相邻。

参照图1，为了在保证扩束倍率和光束质量的前提下，尽可能使扩束准直装置更加小型化。第一曲面S1的曲率半径为R1，-7.917mm≤R1≤-7.817mm，第二平面S2的曲率半径R2和第三平面S3的曲率半径R3均为无穷大，第四曲面S4的曲率半径为R4，-23.638mm≤R4≤23.538mm。第一透镜L1的中心厚度为d1，1.95mm≤d1≤2.15mm，第二透镜L2的中心厚度为d3, 2.95mm≤d3≤3.05mm，第一透镜L1和第二透镜L2之间的空气间隔为d2，28.733mm≤d2≤28.833mm。第一透镜L1的折射率为Nd1=1.458，第一透镜L1的阿贝数为Vd1=67.82；第二透镜L2的折射率为Nd2=1.458，第二透镜L2的阿贝数均为Vd2=67.82，即第一透镜L1和第二透镜L2为同一种材料。第一透镜L1和第二透镜L2的折射率的公差为±0.001，阿贝数的公差为±1%。在公差范围内，也能实现扩束准直的效果。

其中，阿贝数，也称色散系数，用来衡量透明介质的光线的色散程度。一般来说，介质的折射率越大，色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的折射率越小，色散越轻微，阿贝数越大。

需要说明的是，优选的，第一曲面S1的曲率半径为R1=-7.867mm,第四曲面S4的曲率半径为R4=-23.588mm，第一透镜L1的中心厚度d1=2.0mm,第二透镜L2的中心厚度d3=3.0mm，第一透镜L1和第二透镜L2的空气间隔d2=28.783mm。此时，小型紫外激光器扩束准直装置的总长为35mm，扩束倍率为3倍。

需要说明的是，第一曲面S1和第四曲面S4的曲率半径的公差均为±0.05mm，即曲率半径的公差、中心厚度的公差为±0.05mm，以及第一透镜L1和第二透镜L2的空气间隔d2的公差为±0.05mm。只要各个曲面的曲率半径的误差、各个透镜的中心厚度的误差以及第一透镜L1和第二透镜L2的空气间隔的误差均在相应的公差范围内，则都能保证扩束倍数和发散角，即能够保证扩束倍数和光束质量。

以下，结合模拟仿真对本申请实施例的一种小型紫外激光器扩束准直装置进行验证。其中，各项参数设置如下：

入射激光参数：光束直径0.8-1.2mm，波长为355nm，光束质量m2＜1.3。

第一透镜L1和第二透镜L2参数如下：

参照图2，图2为本次验证试验的光路图，从图中可以看出，入射光束经第一透镜L1后进行发散，光束直径变大，从而第一透镜L1出来的入射光束经第二透镜L2后被准直，变为平行光束，达到了扩束准直的效果。且出射光束的参数：光束直径2.5-3.5mm，波长为355nm。

从而可以登出，本申请能够将波长为355nm，光束直径为0.8-1.2mm的激光束，扩束为光束直径为2.5-3.5mm的平行光束，即扩束倍率为3倍。

参照图3，基于上述表格中的参数，得到如图2所示的调制传递函数MTF图，纵坐标表示MTF值，表示分辨能力，横坐标表示画面与中心点的距离，从左到右代表从中心到边缘的成像。可以看出越靠近中心点，像的MTF值越高，即像越清晰。从而可以得出红外激光器扩束准直装置的传递函数曲线与衍射极限几乎重合，即出射光的发散角几乎没有，从而可以得出出射光束的光束质量良好。

参照图4，基于上述表格中的参数，得到如图3所示的点列图，从图中可以看出弥散斑的均方根半径为0.008mr，弥散斑的几何半径为0.012mr，爱里斑的半径为0.1207mr，即弥散斑都在爱里斑半径以内，从而可以得出出射光束的光束质量良好。

其中，弥散斑是指点光源经过光学系统后在像面前后不同截止面上所成的衍射光像的光强分布。

从上述实施方式中，可以得出本申请提供的一种小型紫外激光器扩束准直装置，可为波长为355nm的激光器提供3倍的定倍扩束，具有透镜单元少、输出光束质量高、平面结构多易加工调整、工作过程不产生会聚焦点和可用于高功率激光器扩束的优点。且可以在高功率激光加工中使用，可以有效优化激光加工工艺和提高加工效率。

本申请实施例一种小型紫外激光器扩束准直装置的实施原理为：入射光束照射至第一透镜L1的第一曲面S1上，绝大部分入射光束从第一透镜L1的第一曲面S1折射进入并从第一透镜L1的第二平面S2上折射出射；通过第一透镜L1的入射光束入射至第二透镜L2的第三平面S3上，通过第一透镜L1的入射光束从第二透镜L2的第三平面S3折射进入并从第二透镜L2的第四曲面S4折射而出，最终聚焦成光束质量高的出射光束。第一透镜L1的作用在于：将入射光束进行发散，扩大入射光束直径；第二透镜L2的作用在于：将发散扩束后的入射光束进行聚焦，从而使聚焦后的出射光束变为平行光。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种小型紫外激光器扩束准直装置，其特征在于：包括沿紫外激光传输方向依次设置的第一透镜(L1)和第二透镜(L2)，所述第一透镜(L1)和第二透镜(L2)位于同一光轴，所述第一透镜(L1)设置为平凹型球面透镜，所述第二透镜(L2)设置为平凸型球面透镜，所述扩束准直装置为无焦装置，入射光和出射光均为平行光束；

所述第一透镜(L1)和第二透镜(L2)的空气间隔(d2)大于等于28.733mm且小于等于28.833mm；

入射激光参数：光束直径0 .8-1 .2mm，波长为355nm，光束质量m2＜1 .3，出射光束的参数：光束直径2 .5-3 .5mm，波长为355nm；

所述第一透镜(L1)包括第一曲面(S1)和第二平面(S2)，所述第二透镜(L2)包括第三平面(S3)和第四曲面(S4)，所述第一曲面(S1)用于与紫外激光源相邻，所述第二平面(S2)与第三平面(S3)相邻；

第一曲面（S1）的曲率半径为R1，-7.917mm≤R1≤-7.817mm，第二平面S2的曲率半径R2和第三平面S3的曲率半径R3均为无穷大，第四曲面(S4)的曲率半径为R4，-23.638mm≤R4≤23.538mm；第一透镜(L1)的中心厚度为d1，1.95mm≤d1≤2.15mm，第二透镜（L2）的中心厚度为d3, 2.95mm≤d3≤3.05mm，第一透镜（L1）和第二透镜（L2）之间的空气间隔为d2，28.733mm≤d2≤28.833mm；第一透镜（L1）的折射率为Nd1=1.458，第一透镜（L1）的阿贝数为Vd1=67.82；第二透镜（L2）的折射率为Nd2=1.458，第二透镜（L2）的阿贝数为Vd2=67.82，即第一透镜（L1）和第二透镜（L2）为同一种材料。

2.根据权利要求1所述的一种紫外激光器扩束准直装置，其特征在于：所述第一透镜(L1)的光焦度φ1<0。

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