CN113376844A - 一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，包括沿激光入射方向的光轴上依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和第二透镜为平凹透镜，且凹面都朝向激光入射方向；所述第三透镜为平凸透镜，凸面朝向激光出射方向，本申请中扩束镜专为入射光斑直径尺寸小于1mm设计，激光器内部三倍频晶体之后的紫外激光的光路上不需额外的扩束机制；所述第一透镜和第二透镜都是曲率半径较小的平凹透镜且凹面全部朝向激光入射方向，既可以使入射的高功率密度紫外激光束快速发散，完全没有会聚作用，从而有效保护第二透镜，也避免了前置镜片表面垂直反射入射光，对激光器造成回光干扰。

Description

一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜。

背景技术

激光因具有极好的单色性、相干性、方向性及高亮度已广泛地应用于切割、钻孔、焊接等材料加工领域。其中，紫外激光更是借助于单光子能量高、材料吸收强、热作用小，可聚焦光斑尺寸小等优点近年来在材料精细加工领域得到迅速发展。一般地，激光器直接输出的光斑直径尺寸较小，为获得更小的聚焦后光斑尺寸，从而在焦点处获得更高的激光功率/密度，激光束在聚焦前都需要通过扩束镜对激光光斑进行扩束，同时压缩激光束的发散角。紫外激光器应用于材料加工更是如此，这是因为目前多数工业用紫外激光都是由基频红外激光经过倍频、和频等非线性效应产生的；在这一过程中，只有基频激光束的功率密度足够高才能高效地激发出紫外光，所产生的紫外光束功率密度也很高；所以在相同的输出功率水平下，紫外激光器直接产生的光束光斑尺寸比波长更长的激光器直接输出的光束光斑尺寸更小。另一方面，紫外激光扩束器比长波长激光扩束器制作难度更高，这主要是因为绝大多数透明材料对紫外波长的吸收都很强，目前使用最广泛、最实用的紫外透镜材料只有熔融石英，但熔石英的加工比较困难。当前，工业使用的紫外激光器的输出功率越来越高，这对包括激光扩束镜在内的配套器件的制作挑战也越来越大。此外，如果激光扩束镜放大倍数可调，就能适用不同的应用场景，这会显著增加同一台激光器及激光加工设备的使用灵活性，同时也便于激光加工设备的安装调试。

目前，虽然已经有相当数量的关于紫外激光变倍扩束镜设计的专利，但它们都有各自的问题。比如专利CN 101887173 B、CN 102004319 B、CN 206696536 U和CN 105527716B，它们的共同不足之处：1.沿激光入射方向的第一透镜都使用了凸透镜，这固然使得入射激光束经过会聚后可获得更高的发散度从而实现更大的扩束比，但对于小光斑、高功率密度入射的紫外激光束，这种会聚作用会进一步增强光束的功率密度，从而增加第二透镜的损伤风险；2.设计中都使用了双凸、双凹或弯月透镜——如前所述，紫外熔融石英材料的加工难度较大，增加一个曲面会提高镜片的制作成本。另外，专利CN 101887173 B、CN206696536 U和CN 105527716 B的设计入射光斑直径都大于2mm——如前所述，非线性晶体直接产生的纳秒级脉冲宽度的紫外激光束光斑直径一般不超过1mm，这就需要激光器内部在非线性晶体后部的光路上增加一个扩束机制，这并不符合现今激光器设计日益小型化的趋势。不仅如此，专利CN 102004319 B的第一透镜的平面朝向激光入射方向，这种设计对于高功率入射紫外激光是危险的，即使透镜表面镀有增透膜，也会有一定功率的激光被透镜表面垂直反射并沿原路返回，这会干扰激光器的长期稳定工作。再次，专利CN 206696536 U使用四个镜片的设计虽然可以更好的校正像差，但这既会增加扩束镜成本，增大扩束镜光轴校准的难度，更重要的是也增加了整体插入损耗，尤其是高功率紫外激光经过过多的镜片损失的功率有可能是很可观的。

基于上述问题，现在提供一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，包括沿激光入射方向的光轴上依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和第二透镜为平凹透镜，且凹面都朝向激光入射方向；所述第三透镜为平凸透镜，凸面朝向激光出射方向。

作为本发明进一步的方案：所述扩束镜设计入射光斑直径尺寸为0.5～1mm，激光波长为355nm，可承受最大平均功率超过20W的纳秒紫外激光。

作为本发明进一步的方案：所述第一透镜包括S1和S2两个面，其中S1面为凹面，曲率半径R1＝-19mm；S2面为平面，曲率半径R2＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d1＝2mm；透镜所用材料为融石英，其折射率Nd1＝1.46，阿贝数Vd1＝68。

作为本发明进一步的方案：所述第二透镜包括S3和S4两个面，其中S3面为凹面，曲率半径R3＝-29mm；S4面为平面，曲率半径R4＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d3＝2mm；透镜所用材料为融石英，其折射率Nd2＝1.46，阿贝数Vd2＝68。

作为本发明进一步的方案：所述第三透镜包括S5和S6两个面，其中S5面为平面，曲率半径R5＝∞；S6面为凸面，曲率半径R6＝61mm；两面之间光轴上的中心厚度d5＝3mm；透镜所用材料为融石英，其折射率Nd3＝1.46，阿贝数Vd3＝68。

作为本发明进一步的方案：所述第一透镜和第二透镜在光轴上的间距d2＝11.7～125.8mm；所述第二透镜和第三透镜在光轴上的间距d4＝79.8～96.4mm；通过调节d2和d4值，可连续调节所述扩束镜扩束比，扩束比调节范围6～12倍。

作为本发明再进一步的方案：所述d2＝11.7mm，d4＝96.4mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为6倍；

所述d2＝30.7mm，d4＝91.7mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为7倍；

所述d2＝49.7mm，d4＝88.2mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为8倍；

所述d2＝68.7mm，d4＝85.5mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为9倍；

所述d2＝87.7mm，d4＝83.2mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为10倍；

所述d2＝106.8mm，d4＝81.4mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为11倍；

所述d2＝125.8mm，d4＝79.8mm时，本发明紫外激光变倍扩束镜的扩束比为12倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

所述扩束镜专为入射光斑直径尺寸小于1mm设计，激光器内部三倍频晶体之后的紫外激光的光路上不需额外的扩束机制；

所述第一透镜和第二透镜都是曲率半径较小的平凹透镜且凹面全部朝向激光入射方向，既可以使入射的高功率密度紫外激光束快速发散，完全没有会聚作用，从而有效保护第二透镜，也避免了前置镜片表面垂直反射入射光，对激光器造成回光干扰；

所述透镜表面形状全部是平面-球面设计，降低了镜片的加工难度。

只使用三片透镜，结构简单、紧凑，这既便于扩束镜内部光轴校正，也便于扩束比的调节，更重要的是降低了整体的插入损耗，使高功率紫外激光穿过本发明扩束镜损失的功率较少。

附图说明

图1是本发明的适用于高功率密度紫外激光连续变倍扩束镜的光学结构示意图。

图2(a)、(b)是光斑直径为0.5mm的入射紫外激光束经本发明实施例扩束12倍后的弥散斑图和波前光程差分布图。

图3(a)、(b)是光斑直径为0.7mm的入射紫外激光束经本发明实施例扩束12倍后的弥散斑图和波前光程差分布图。

图4(a)、(b)是光斑直径为0.9mm的入射紫外激光束经本发明实施例扩束10倍后的弥散斑图和波前光程差分布图。

图5(a)、(b)是光斑直径为1.0mm的入射紫外激光束经本发明实施例扩束9倍后的弥散斑图和波前光程差分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，为适应不同激光加工应用场景，本发明提供一种高功率密度紫外激光连续变倍扩束镜，入射激光波长为355nm，入射光斑尺寸0.5～1mm，扩束比在6～12倍之间连续可调，最大可承受20W以上的纳秒紫外激光功率。

参照图1，本发明所述紫外激光连续变倍扩束镜包括沿激光入射方向的光轴上依次同轴排列的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透L3。其中，所述第一透镜L1和第二透镜L2为平凹透镜，且凹面都朝向激光入射方向；所述第三透镜L3为平凸透镜，凸面朝向激光出射方向。这种设计保证高功率紫外激光入射经前置所述第一透镜L1后光束可快速发散而降低功率密度，完全没有会聚效果，可有效保护所述第二透镜L2不受激光损伤。此外，所述第一透镜L1、第二透镜L2的凹面都朝向激光入射方向，从而避免了激光被光学表面垂直反射后原路返回激光器而干扰激光器的正常稳定工作。

所述第一透镜L1包括曲率半径分别为R1和R2的两个光学表面S1和S2，两面之间光轴上的中心厚度为d1；透镜所用材料为融石英，其折射率为Nd1，阿贝数为Vd1。所述第二透镜L2包括曲率半径分别为R3和R4的两个光学表面S3和S4，两面之间光轴上的中心厚度为d3；透镜所用材料为融石英，其折射率为Nd2，阿贝数为Vd2。所述第三透镜L3包括曲率半径分别为R5和R6的两个光学表面S5和S6，两面之间光轴上的中心厚度为d5；透镜所用材料为融石英，其折射率为Nd3，阿贝数为Vd3。

所述第一透L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，所述第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4。

本实施例的紫外激光变倍扩束镜的具体数据参数如表1所示，其中入射激光波长为355nm，入射光斑尺寸为0.5～1mm。

表1紫外激光变倍扩束镜具体参数

在表1中，曲率半径为∞代表所在面是平面；曲率半径为负值代表所在面是凹球面；曲率半径为正值代表所在面是凸球面。

通过分别改变d2和d4值，可以连续调节所述激光扩束镜的扩束比，其对应关系举例如表2所示。

表2 d2与d4的关系对应的扩束镜产生的扩束比

d2(mm)	d4(mm)	扩束比
			11.7	96.4	6
30.7	91.7	7
			49.7	88.2	8
68.7	85.5	9
			87.7	83.2	10
106.8	81.4	11
			125.8	79.8	12

从表2中可以看出，增大d2值的同时减小d4值，则扩束比逐渐增大；反之亦然。其中，d2的变化范围是11.7～125.8mm，d4的变化范围是79.8～96.4mm，扩束比的变化范围是6～12倍。

需要说明的是，并不是在0.5～1mm范围内所有入射激光光斑直径下，都可以获得6～12倍的高质量扩束效果。由于像差的影响，入射光斑直径越大，越难获得较大的高质量扩束比。这里定义“高质量”扩束的标准是在0°入射角度下，扩束后的激光束经理想透镜聚焦后的弥散斑半径不超过衍射极限光斑(艾里斑)半径，且波前光程差的峰-谷(PV)值小于0.2倍激光波长。在这一标准下，当入射光斑直径为0.5～0.7mm时，高质量扩束的最大倍数为12倍，其中，0.5mm直径入射光束经12倍扩束后的光斑弥散图和波前光程差分布图分别如图2(a)、(b)所示；0.7mm直径入射光束经12倍后的光斑弥散图和波前光程差分布图分别如图3(a)、(b)所示；当入射光斑直径为0.7～0.9mm时，高质量扩束的最大倍数为10倍，其中，0.9mm直径入射光束经10倍扩束后的光斑弥散图和波前光程差分布图分别如图4(a)、(b)所示；当入射光斑直径为0.9～1.0mm时，高质量扩束的最大倍数为9倍，其中，0.9mm直径入射光束经9倍扩束后的光斑弥散图和波前光程差分布图分别如图5(a)、(b)所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (8)

1.一种适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，包括沿激光入射方向的光轴上依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和第二透镜为平凹透镜，且凹面都朝向激光入射方向；所述第三透镜为平凸透镜，凸面朝向激光出射方向。

2.根据权利要求1所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述扩束镜设计入射光斑直径尺寸为0.5～1mm，激光波长为355nm。

3.根据权利要求1所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述第一透镜包括S1和S2两个面，其中S1面为凹面，曲率半径R1＝-19mm；S2面为平面，曲率半径R2＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d1＝2mm。

4.根据权利要求3所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述第二透镜包括S3和S4两个面，其中S3面为凹面，曲率半径R3＝-29mm；S4面为平面，曲率半径R4＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d3＝2mm。

5.根据权利要求4所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述第三透镜包括S5和S6两个面，其中S5面为平面，曲率半径R5＝∞；S6面为凸面，曲率半径R6＝61mm；两面之间光轴上的中心厚度d5＝3mm。

6.根据权利要求5所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜、第二透镜和第三透镜所用材料为融石英，其折射率Nd3＝1.46，阿贝数Vd3＝68。

7.根据权利要求1所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜在光轴上的间距d2＝11.7～125.8mm；所述第二透镜和第三透镜在光轴上的间距d4＝79.8～96.4mm；通过调节d2和d4值，可连续调节所述扩束镜扩束比，扩束比调节范围6～12倍。

8.根据权利要求7所述的适用于高功率密度紫外激光的连续变倍扩束镜，其特征在于，所述d2＝11.7mm，d4＝96.4mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为6倍；

所述d2＝30.7mm，d4＝91.7mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为7倍；

所述d2＝49.7mm，d4＝88.2mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为8倍；

所述d2＝68.7mm，d4＝85.5mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为9倍；

所述d2＝87.7mm，d4＝83.2mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为10倍；

所述d2＝106.8mm，d4＝81.4mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为11倍；

所述d2＝125.8mm，d4＝79.8mm时，紫外激光变倍扩束镜的扩束比为12倍。

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