CN113189780A - 一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统 - Google Patents

一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统 Download PDF

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Abstract

一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统涉及激光器技术领域，解决了激光圆方光斑整形光路的元件加工难度大、成本高的问题，该系统包括顺次设置的平凹柱透镜组、可移动扩束镜组和平凸球面透镜，平凹柱透镜组包括第一平凹柱透镜阵列和第二平凹柱透镜阵列，第一平凹柱透镜阵列和第二平凹柱透镜阵列结构相同、曲率方向垂直；第一平凹柱透镜阵列包括多个顺次连接的子平凹柱透镜，相邻的子平凹柱透镜通过粘接连接；圆形入射光束经平凹柱透镜组整形为多个方形光束，方形光束依次经可移动扩束镜组增大尺寸减小发散角、经平凸球面透镜聚焦后在平凸球面透镜焦点处得到方形光斑。本发明通过光胶的方式将平凹柱透镜进行拼接使得镜片加工难度小、成本低。

Description

一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统
技术领域
本发明涉及激光器设备技术领域，具体涉及一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统。
背景技术
光强平顶分布的方形激光光斑可以被广泛应用在激光医美、激光加工、表面处理、激光泵浦等领域。然而激光器直接输出的光束其激光光强通常为高斯分布，即光束中心点光强最大，距离中心点距离越远则光强越小。因此将圆形光斑转换为方形光斑并且使得光强分布由高斯分布转换为平顶分布尤为关键。
目前人们采用微透镜阵列、衍射光学元件等方法可以得到平顶分布的激光光束，但是这些元件通常都需要采用纳米加工技术，加工难度大、成本高。
发明内容
为了解决现有激光圆光斑整形为方光斑的光路系统的元件加工难度大、成本高问题，本发明提供一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，包括沿同一光轴顺次设置的平凹柱透镜组、可移动扩束镜组和平凸球面透镜，所述平凹柱透镜组包括第一平凹柱透镜阵列和第二平凹柱透镜阵列，第一平凹柱透镜阵列和第二平凹柱透镜阵列结构相同、曲率方向垂直；第一平凹柱透镜阵列包括多个顺次连接的子平凹柱透镜，相邻的子平凹柱透镜通过粘接连接；圆形入射光束经平凹柱透镜组整形为多个方形光束，方形光束依次经可移动扩束镜组增大尺寸减小发散角、经平凸球面透镜聚焦后在平凸球面透镜焦点处得到方形光斑。
本发明的有益效果是：
本发明一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，采用传统平凹透镜为单元器件，通过光胶粘接的方式将子平凹柱透镜进行拼接得到平凹柱透镜阵列，两片平凹柱透镜阵列起到水平以及垂直两方向激光匀化效果，聚焦后变成多个小方光斑光束。本发明首次提出了采用传统平凹透镜为单元器件，通过光胶的方式将平凹柱透镜进行拼接，起到了微透镜阵列、衍射光学元件的作用；通过平凹柱透镜组和平凸球面镜组合的方式，可以将圆形光斑转换为方形光斑，同时起到匀化的作用，将初始光强分布为高斯分布的激光转变为平顶分布。本发明的结构简单、镜片加工难度小、成本低。
附图说明
图1为本发明的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统的一种结构示意图。
图2为本发明的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统的光路图。
图3为本发明的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统的另一种结构示意图。
图4为本发明的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统的平凹柱透镜组结构图。
图中：1、平凹柱透镜组，2、第一平凹柱透镜阵列，3、第二平凹柱透镜阵列，4、平凸球面透镜，5、第一扩束镜，6、第二扩束镜，7、第一电动导轨，8、第二电动导轨，9、光路保护机械壳体，10、入光窗口保护镜，11、出光窗口保护镜。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统包括平凹柱透镜组1、可移动扩束镜组和平凸球面透镜4，如图1，平凹柱透镜组1、可移动扩束镜组和平凸球面透镜4沿同一光轴顺次设置。平凹柱透镜组1包括第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3，第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3沿上述光轴对应设置，第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3结构相同，第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3曲率方向垂直。第一平凹柱透镜阵列2包括多个顺次连接的子平凹柱透镜，相邻的子平凹柱透镜通过粘接连接，第二平凹柱透镜阵列3包括多个顺次连接的子平凹柱透镜，相邻的子平凹柱透镜通过粘接连接。圆形入射光束经平凹柱透镜组1整形为多个方形光束，方形光束依次经可移动扩束镜组增大尺寸减小发散角、经平凸球面透镜4聚焦后在平凸球面透镜焦点处得到方形光斑。光路图如图2所示，图2中未示出可移动扩束镜组。
第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3组成一组，相互垂直放置，起到微透镜阵列、衍射光学元件的作用。可移动扩束镜组扩束的目的是增大激光的光斑尺寸和减小激光发散角，这样可以通过平凸球面透镜4聚焦后获得焦点位置处的小尺寸方形匀化光斑。
本发明的光路整形系统还包括光路保护机械壳体9。平凹柱透镜组1、可移动扩束镜组和平凸球面透镜4均设置在光路保护机械壳体9内，光路保护机械壳体9上设有入光窗口保护镜10和出光窗口保护镜11，入光窗口保护镜10对应平凹柱透镜组1设置，出光窗口保护镜11对应平凸球面透镜4设置。圆光斑入射光束经入光窗口保护镜10入射到光路保护机械壳体9内，即经入光窗口保护镜10入射到平凹柱透镜组1上，平凸球面透镜4聚焦得到方光斑出射光束经出光窗口保护镜11传输出光路保护机械壳体9。入光窗口保护镜10和出光窗口保护镜11以及光路保护机械壳体9可以有效使得光路整形系统的光学元件处于密封状态中，可以有效保护光学元件，避免光路中镜片受到环境灰尘、空气湿气等影响。
可移动扩束镜组包括第一扩束镜5、第二扩束镜6和第一电动导轨7，平凹柱透镜组1、第一扩束镜5、第二扩束镜6和平凸球面透镜4顺次设置，通过第一扩束镜5和/或第二扩束镜6设置在第一电动导轨7上，第一电动导轨7沿光路整形系统光轴方向设置。第一电动导轨7的作用是可以调整第一扩束镜5和第二扩束镜6的相对位置，使得光束整形更加精确。作为一种实施方式，如图1，第一扩束镜5固定连接光路保护机械壳体9，第一电动导轨7固定连接光路保护机械壳体9，第二扩束镜6设置在第一电动导轨7上。第一扩束镜5和第二扩束镜6为一组伽利略式扩束系统，第一扩束镜5为平凹柱透镜，第二扩束镜6为平凸柱透镜。作为另外一种实施方式，如图3，可移动扩束镜组还包括第二电动导轨8，第二电动导轨8设置在第一导轨7上，第二扩束镜6设置在第二电动导轨8上，第二扩束镜6通过第二电动导轨8连接第一导轨7，第二电动导轨8上设有多个第二扩束镜6，不同的第二扩束镜6之间的焦距不同，第二电动导轨8上的第二扩束镜6只有一个用于光路整形系统，第二电动导轨8用于更换用于光路中的第二扩束镜6，第二电动导轨8沿垂直于光路整形系统光轴方向设置。通过第一电动导轨7第二扩束镜6能够沿平行于光轴的方向移动；通过第二电动导轨8，第二扩束镜6能够沿垂直光轴的方向移动。
第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3的凹面朝向同一侧，即朝向入射光方向；平面均朝向可移动扩束镜组。子平凹柱透镜为矩形，如图4，第一平凹柱透镜阵列2的多个子平凹柱透镜沿子平凹柱透镜宽度方向顺次设置，子平凹柱透镜的长边用于粘接其他子平凹柱透镜。子平凹柱透镜的长度大于20mm小于100mm，宽度大于4mm小于20mm。第一平凹柱透镜阵列2和第二平凹柱透镜阵列3的尺寸为48×48mm，分别均由6片48×8mm子平凹柱面镜顺次粘接组成，子平凹柱面镜的焦距为1000mm。
上述第一扩束镜5的直径为50mm，焦距为100mm，第二扩束镜6的直径为100mm，焦距为200mm。平凸球面透镜4的直径为100mm，焦距为1000mm，每个小光束聚焦在工作面上即距离聚平凸球面透镜41000mm处，形成均匀的方形光斑。出光窗口保护镜11的直径为100mm。
本发明一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，采用传统平凹透镜(即子平凹柱透镜)为单元器件，通过光胶的方式将子平凹柱透镜进行拼接得到平凹柱透镜阵列，两片平凹柱透镜阵列起到水平以及垂直两方向激光匀化效果，聚焦后变成多个小方光斑光束。本发明首次提出了采用传统平凹透镜为单元器件，通过光胶的方式将平凹柱透镜进行拼接，起到了微透镜阵列、衍射光学元件的作用；通过平凹柱透镜组1和平凸球面镜组合的方式，可以将圆形光斑转换为方形光斑(即方形出射光束)，同时起到匀化的作用，将初始光强分布为高斯分布的激光转变为平顶分布。本发明的结构简单、镜片加工难度小、成本低。

Claims (10)

1.一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，包括沿同一光轴顺次设置的平凹柱透镜组(1)、可移动扩束镜组和平凸球面透镜(4)，所述平凹柱透镜组(1)包括第一平凹柱透镜阵列(2)和第二平凹柱透镜阵列(3)，第一平凹柱透镜阵列(2)和第二平凹柱透镜阵列(3)结构相同、曲率方向垂直；第一平凹柱透镜阵列(2)包括多个顺次连接的子平凹柱透镜，相邻的子平凹柱透镜通过粘接连接；圆形入射光束经平凹柱透镜组(1)整形为多个方形光束，方形光束依次经可移动扩束镜组增大尺寸减小发散角、经平凸球面透镜(4)聚焦后在平凸球面透镜(4)焦点处得到方形光斑。
2.如权利要求1所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述光路整形系统还包括光路保护机械壳体(9)，平凹柱透镜组(1)、可移动扩束镜组和平凸球面透镜(4)均设置在光路保护机械壳体(9)内，光路保护机械壳体(9)上对应平凹柱透镜组(1)设有入光窗口保护镜(10)、对应平凸球面透镜(4)设有出光窗口保护镜(11)。
3.如权利要求2所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述可移动扩束镜组包括第一扩束镜(5)、第二扩束镜(6)和第一电动导轨(7)，所述第一扩束镜(5)和/或第二扩束镜(6)设置在第一电动导轨(7)上，第一电动导轨(7)沿光轴方向设置。
4.如权利要求3所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述平凹柱透镜组(1)、第一扩束镜(5)、第二扩束镜(6)和平凸球面透镜(4)顺次设置。
5.如权利要求4所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述第一扩束镜(5)固定连接光路保护机械壳体(9)，第一电动导轨(7)固定连接光路保护机械壳体(9)，第二扩束镜(6)设置在第一电动导轨(7)上。
6.如权利要求5所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述可移动扩束镜组还包括设置在第一电动导轨(7)上的第二电动导轨(8)，所述第二电动导轨(8)沿垂直于光轴的方向设置，第二扩束镜(6)设置在第二电动导轨(8)上，第二扩束镜(6)通过第二电动导轨(8)设置在第一电动导轨(7)上。
7.如权利要求3所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述可移动扩束镜组为伽利略式扩束系统。
8.如权利要求7所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述第一扩束镜(5)为平凹柱透镜，第二扩束镜(6)为平凸柱透镜。
9.如权利要求1所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述子平凹柱透镜为矩形，第一平凹柱透镜阵列(2)的多个子平凹柱透镜沿子平凹柱透镜宽度方向顺次设置。
10.如权利要求1所述的一种可实现激光圆方光斑变化的光路整形系统，其特征在于，所述子平凹柱透镜的长度大于20mm小于100mm，宽度大于4mm小于20mm。
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