CN113828912A - 一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，涉及厚玻璃切割加工相关领域，包括：整形系统，用于改变贝塞尔区域的光强分布；凹锥镜，用于将光束变为环形光束；凸锥镜和聚焦镜，用于改变环形光束的方向；所述整形系统与凹锥镜相对应，所述凹锥镜与凸锥镜相对应，本发明所述一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，控制了成本，并且采用凹锥镜和凸锥镜结合的方式，有效的缩短了系统的长度，使结构更加紧凑，同时聚焦镜的引入配合凹锥镜和凸锥镜的结构可以是贝塞尔区强度密度分布更均匀，且凹锥镜和凸锥镜之间距离的简单调整可以实现光斑大小和焦深大小的调整，从而提高了切割的效率，切割断面质量以及切口质量。
Description
技术领域
本发明涉及厚玻璃切割加工相关领域，具体是一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头。
背景技术
随着国内工业超快激光加工领域的不断发展，促成了玻璃切割技术与超快激光加工技术的融合，进而产生了利用贝塞尔激光束来切割玻璃的方案，由于在同等激光功率水平下，贝塞尔光束的功率密度比传统的高斯光束功率密度要高出几个数量级，并且贝塞尔光束天生的无衍射特性使得它切割玻璃时具有很长的焦深，一般意义上来讲，它摆脱了的高斯光束衍射特性的限制，解决了光斑大小与焦深不能同时满足的矛盾。
传统切割玻璃所用的方法有机械式加工，CO2激光加工，振镜扫描式加工等，机械式加工没有办法满足对异形玻璃的切割；CO2激光加工没有办法解决切割断面质量问题；振镜扫描式切割对光学系统以及切割玻璃厚度有着一定的要求，并且效率方面受到一定的限制。因此诞生了贝塞尔激光玻璃切割技术，它在切割效率，切割断面质量以及切口质量等方面有着整体优于其他技术方案的表现。
目前，针对贝塞尔光束玻璃切割方法，有不同的具体实现方案，有的采用衍射DOE元件方案，有的采用空间光调制器SLM方案，还有的采用单片圆锥镜方案，还有的采用反射式方案，而贝塞尔光束玻璃切割方法中，衍射DOE的方案虽然可以产生想要的并且满足要求的贝塞尔区用来作为加工区域，并且一旦设计完成不具有可调性，最关键的是DOE元件成本过高，不方便高效量产;对于空间光调制器SLM方案来讲，由于受到器件的限制，当激光功率过高时，会有额外的冷却装置，虽然具有可编辑的特点，但成本依然很高，系统复杂程度增加；对于单片圆锥镜的方案，激光要经过扩束，圆锥镜，聚焦镜，聚焦物镜这四部分组成，并且系统一旦设计完成，很难进行调节以用来满足不同的加工工艺，并且系统镜片数目过多，锥区不均匀，可利用的有效焦深有限，系统整体长度过长，这些因素都会给系统的稳定性造成一定的影响。
发明内容
本发明提供一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，解决了上述背景技术中所提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，包括：
整形系统，用于改变贝塞尔区域的光强分布；
凹锥镜，用于将光束变为环形光束；
凸锥镜和聚焦镜，用于改变环形光束的方向；
所述整形系统与凹锥镜相对应，所述凹锥镜与凸锥镜相对应，所述凸锥镜与聚焦镜相对应，光线经过整形系统后依次穿过凹锥镜、凸锥镜以及聚焦镜。
作为本发明的一种优选技术方案，所述凹锥镜经过后的光线会形成环形光束，该环形光束分别为光线一a、光线一b、光线二a、光线二b。
作为本发明的一种优选技术方案，所述光线一a、光线一b设置于光线二a、光线二b之间。
作为本发明的一种优选技术方案，所述聚焦镜经过后的环形光束会聚焦在A点和B点。
作为本发明的一种优选技术方案，所述贝塞尔区位于A点和B点之间。
作为本发明的一种优选技术方案，所述A点的光斑大于B点的光斑大小。
作为本发明的一种优选技术方案，所述整形系统与扩束系统相对应。
作为本发明的一种优选技术方案，所述光束为高斯激光光束。
本发明具有以下有益之处：本发明所述一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，控制了成本，并且采用凹锥镜和凸锥镜结合的方式，有效的缩短了系统的长度，使结构更加紧凑，同时聚焦镜的引入配合凹锥镜和凸锥镜的结构可以是贝塞尔区强度密度分布更均匀，且凹锥镜和凸锥镜之间距离的简单调整可以实现光斑大小和焦深大小的调整，从而提高了切割的效率，切割断面质量以及切口质量。
附图说明
图1为可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头的结构示意图。
图中：1、整形系统；2、凹锥镜；3、凸锥镜；4、聚焦镜；5、光线一a；6、光线一b；7、光线二a；8、光线二b。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，整形系统1，用于改变贝塞尔区域的光强分布；
凹锥镜2，用于将光束变为环形光束；
凸锥镜3和聚焦镜4，用于改变环形光束的方向；
所述整形系统1与凹锥镜2相对应，所述凹锥镜2与凸锥镜3相对应，所述凸锥镜3与聚焦镜4相对应，光线经过整形系统1后依次穿过凹锥镜2、凸锥镜3以及聚焦镜4。
所述凹锥镜2经过后的光线会形成环形光束，该环形光束分别为光线一a5、光线一b6、光线二a7、光线二b8。
所述光线一a5、光线一b6设置于光线二a7、光线二b8之间。
所述聚焦镜4经过后的环形光束会聚焦在A点和B点。
所述贝塞尔区位于A点和B点之间。
所述A点的光斑大于B点的光斑大小。
所述整形系统1与扩束系统相对应。
本发明在实施过程中，第一，当一束激光从激光器发出，为了降低光束入射到光学元件上的功率密度，通常会将激光束由扩束系统扩束到指定的尺寸，以免造成光学元件的损伤，然后再通过整形系统1，经过凹锥镜2将光束变为环形光束，经过凸锥镜3改变环形光束的方向，最后经过聚焦镜4，在工作区域形成贝塞尔区，即点A和点B重叠的阴影部分；
第二，由于在高功率超快激光系统下，光学元件镀膜的损伤阈值显得格外的重要，当减少系统中镜片数量的时候可以在某种程度上增加系统的可靠性并降低成本，因此系统准备采用凹锥镜2、凸锥镜3和一片聚焦镜4，为了缩短系统的长度，采用凹锥镜2和凸锥镜3结合的方式，可以等效的认为是一种伽利略结构，避免了中间贝塞尔区的形成，有效的缩短了系统的长度；
第三，如果不考虑整形系统1的加入，高斯激光光束直接入射到凹锥镜2上面，由于光线一a5和光线一b6的强度大于光线二a7和光线二b8的强度，即A点的强度大于B点的强度，为了使AB这条线上的功率密度尽量的均匀，就要改变AB之间的光斑大小，改变贝塞尔区域光斑大小的方法可以改变光束的干涉角度，即减小贝塞尔区光线一a5和光线一b6之间的夹角，增加贝塞尔区光线二a7和光线二b8之间的夹角，因为两束平面波发生干涉时，光斑大小和夹角正弦值成反比，所以A点光斑大于B点光斑大小。这样就使贝塞尔区域的光强密度更加均匀；
第四，通过改变凹锥镜2和凸锥镜3之间的距离，就可以改变光线一a5、光线一b6与光线二a7、光线二b8在聚焦镜上的高度，进而可以改变光线一a5、光线一b6与光线二a7、光线二b8在工作区域的入射角度，进而改变光斑的大小和贝塞尔区域的长度，即AB的长度，这样就实现了光斑大小可调，焦深可调的目的。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，包括：
整形系统（1），用于改变贝塞尔区域的光强分布；
凹锥镜（2），用于将光束变为环形光束；
凸锥镜（3）和聚焦镜（4），用于改变环形光束的方向；
所述整形系统（1）与凹锥镜（2）相对应，所述凹锥镜（2）与凸锥镜（3）相对应，所述凸锥镜（3）与聚焦镜（4）相对应，光线经过整形系统（1）后依次穿过凹锥镜（2）、凸锥镜（3）以及聚焦镜（4）。
2.根据权利要求1所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述凹锥镜（2）经过后的光线会形成环形光束，该环形光束分别为光线一a（5）、光线一b（6）、光线二a（7）、光线二b（8）。
3.根据权利要求1所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述光线一a（5）、光线一b（6）设置于光线二a（7）、光线二b（8）之间。
4.根据权利要求1所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述聚焦镜（4）经过后的环形光束会聚焦在A点和B点。
5.根据权利要求4所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述贝塞尔区位于A点和B点之间。
6.根据权利要求4所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述A点的光斑大于B点的光斑大小。
7.根据权利要求1所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述整形系统（1）与扩束系统相对应。
8.根据权利要求1所述的可以调节焦深和光斑大小的贝塞尔玻璃切割镜头，其特征在于，所述光束为高斯激光光束。
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