CN114217448A - 一种高斯光束的整形装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种高斯光束的整形装置，该装置采用正焦距透镜对高斯光束进行整形，在正焦距透镜的基础上通过真空组件的设置，使焦点聚集在真空环境中，由于真空环境中没有空气的干扰，不会造成空气的电离，进而提高了整形装置的整形效果和使用寿命。同时，在上述基础上还加入高透膜、消光装置、散热装置等组件，进一步提高了整形装置的性能。本公开的装置具有更好的高斯光束整形效果、同时制造工艺简单、适用于批量生产，且安全性能更好、适用寿命更长。

Description

一种高斯光束的整形装置

技术领域

本公开具体涉及高斯光束领域，尤其涉及一种高斯光束的整形装置。

背景技术

目前，随着激光技术的日益成熟，其应用范围也越来越广泛，如：激光加工、激光焊接、生物医学工程等。因激光光束横截面的振幅分布遵循高斯函数，又称高斯光束。高斯光束在实际应用过程中，存在能量输出不均匀的问题。当高斯光束输出的能量未均匀分布时，将会导致材料受作用面的能量吸收不均匀，从而使局部温度升高破坏材料的结构，这大大限制了高斯光束的应用。

公开号：CN113820788A的专利申请文件公开了一种用于流式细胞仪的光纤端光场线状出射的整形方法。通过光纤光束输出端形成实心球形，使出射光束产生汇聚后再发散传播，对光纤输出的光束进行一次光路压缩，再在“适当距离”放置无芯光纤，让光束通过无芯光纤传播，使原本发散的光束再次汇聚，呈直线传播，使得该光束呈线性平行光束输出。该公开通过球形结构与无芯光纤形成一个无焦系统，从而对光纤出射的光束进行压缩准直。虽然形成了平行度良好的高斯光束，但球形结构在实际生产中存在一定的加工和检测难度，且光束在汇聚过程中易造成能量的集中，从而对装置的结构造成破坏。

公开号：CN113698090A的专利申请文件公开了一种光纤预制棒、匀化光纤及其制备方法、应用。通过光纤预制棒中主纤芯棒和副纤芯棒的结构与折射率的结合，使高斯光束整形为平顶光束状态。虽然形成了平顶态的高斯光束，但在光纤传播过程中，容易造成平行光束分布不均匀的问题。

现有技术中，还采用具有正、负焦距的透镜对高斯光束进行整形。当采用正焦距时，由于具有实焦点，容易在实焦点处产生能量聚集，从而存在电离空气诱发电火花的危险，不但会影响后续的整形效果，还会损毁光学元件。若采用负焦距，不会存在实焦点的问题，也就不会导致局部温度过高，但负焦距透镜的加工与检测的难度和成本都高于正焦距透镜，不利于批量生产过程中的质量品控以及生产成本的控制。

发明内容

本公开针对采用正焦距透镜进行高斯光束整形过程中，因实焦点产生的问题，提供了一种高斯光束整形装置。该装置用以解决高斯光束整形过程中，实焦点带来能量聚集，电离空气诱发电火花，影响整形效果和损毁光学元件的问题。使整形效果更好并提高了整形装置的使用寿命和安全性能。

本公开的构思之一在于，利用至少两块正焦距透镜对高斯光束进行整形，使高斯光束在经过透镜整形后其能量分布均匀。

具体的，先通过一块正焦距透镜对高斯光束进行初步整形，即使高斯光束先在焦距处进行聚集。在通过另一块正焦距透镜对高斯光束进行整形和准直，即使聚集的高斯光束在发散过程中通过第二块透镜使高斯光束平顶化，并均匀分。通过两段整形使高斯光束能量分布更均匀。

进一步的，本公开的构思之一是在于，采用真空组件提供一片真空区域，解决正焦距透镜的实焦距产生的空气电离问题，保证了整形的效果以及提高了整形装置的使用寿命和安全性能。

具体的，通过在整形装置实焦距一定范围内设置一个真空组件。通过真空组件将组件内的气体抽离，在实焦距范围内形成一片真空区域，从而避免由于实焦点处存在空气，致使能量聚集时对空气进行电离，产生电火花，从而对整形效果造成影响或者对整形装置内部光学器件造成损毁。

进一步的，本公开的另一构思在于，在真空组件中设置高透部件用于高斯光束的进入和离开，防止高斯光束进入或离开真空组件时，因为光的反射产生的杂光对高斯光束的整形效果造成影响。

具体的，在部件表面镀一层高透膜形成高透部件，用于使高斯光束整体都能通过高透部件进入真空区域。避免高透部件入射面对光的反射，形成残余的光束进入到整形装置的透镜中，形成杂光，对高斯光束的整形质量造成影响。

进一步的，本公开的另一构思在于，通过设置高透部件与真空组件的安装件之间的安装角度，进一步消除杂光对整形效果的影响。

具体的，高透部件与真空组件安装件之间形成1°-2°的夹角。使高斯光线在反射过程中较难进入透镜中，从而避免产生杂光而对高斯光束的整形效果产生影响。

进一步的，本公开的另一构思在于，在整形装置的内壁设置消杂光结构使杂光进一步得到消除，提高高斯光束的整形质量。

具体的，可以在整形装置的内壁加工一些消杂光的螺纹或者设置吸光材料，使杂光不会经过整形装置内壁的反射进入到透镜中，从而影响高斯光束的整形效果。

进一步的，本公开的另一构思在于，在整形装置中设置散热结构用于对整形装置进行散热，保证整形装置的使用性能和寿命。

具体的，可以在整形装置外部设计成双层结构，使用液冷的方式对整形装置进行散热，或者使用其他方式，诸如风冷等对整形装置进行散热。因为，真空组件在抽真空过程中形成的真空区域并不一定是绝对真空的，仍然会因为能量聚集使整形装置的温度升高；且高斯光束在通过高透装置时，仍然会有些许残余光经过高透部件反射进入整形装置中，使整形装置温度升高。为避免整形装置中温度升高影响其使用性能，采用散热装置对其进行散热，保证其使用性能和寿命。

进一步的，本发明的另一构思在于通过一体成型的方式对真空组件进行制造，使真空组件的真空性能更好，且方便更换和维护。

具体的，将真空组件进行一体化设计，即将带有抽气管的中空的玻璃管两端分别抛光，并镀有高透膜，抽完真空后，将抽气孔烧结冰封闭，保持内壁真空状态。通过该方式使真空组件的密封性能更好，且成了一个独立的构件，在日后的维护和更换过程中十分的方便和简单。

进一步的，本发明的另一构思在于，通过将高透部件直接安装在整形装置中，使整形装置和真空组件成为一个整体，优化了整形装置的结构。

具体的，在整形装置中，直接在实焦点两边安装高透部件，并在整形装置上设置有抽气阀门。使整形装置和真空组件成为一个整体，优化了整形装置的结构。

本公开提供了一种高斯光束的整形装置，所述装置包括：安装件；第一透镜，所述第一透镜为正焦距透镜；第二透镜，所述第二透镜为正焦距透镜；真空组件，所述真空组件在所述第一透镜和所述第二透镜之间；所述第一透镜与所述第二透镜的焦距重合；所述第一透镜、第二透镜、真空组件安装在所述安装件上；其中，所述真空组件的特征还在于，所述第一透镜、第二透镜的焦距在真空组件内。

具体的，高斯光束先通过第一个正焦距透镜进入整形装置内，再在真空组件内部聚集后发射，使高速光束均匀化，然后发散的光束穿过真空组件在第二正聚焦透镜处实现平顶化，最后得到均匀且平顶态的高斯光束。因为该整形装置采用了正焦距透镜，相比与负焦距透镜而言，其检测和生产成本大大降低，且将实焦距放置在真空中，解决了高斯光束在实焦距处能量聚集产生的电离空气，造成电火花的技术问题，提高了整形过后高斯光束的质量以及整形装置的使用性能和寿命。

进一步的，在上述装置的基础上，所述真空组件还包括：腔体；第一高透部件；第

二高透部件；抽气阀门；其中，所述第一高透部件、第二高透部件、抽气阀门安装在腔体上，且彼此之间的结合处是密封，共同组成真空组件；所述第一高透部件、第二高透部件由高透膜和窗口组成；且所述第一高透部件、第二高透部件在高斯光束传播的路径上，用于高斯光束进入和离开真空组件。

具体的，高斯光束在进入真空组件和离开真空组件时，在进入处和离开处采用高透部件，主要是在部件表面覆一层高透膜，加大高斯光束的光的透过率，避免反射形成的杂光影响整形过后高斯光束的质量。

进一步的，在上述装置的基础上，所述真空组件还包括：所述第一高透部件的轴线

与腔体截面之间存在一定的夹角；所述第二高透部件的轴线与腔体截面之间存在一定的夹角；其中，所述夹角为1°-2°之间。

具体的，高透部件与腔体并不是同心的，两者的轴线是有一定角度，在1°-2°之间。通过两者轴线角度的设置，使高斯光束在第一透镜或者第二透镜反射的残余光束不会原路返回进入第一透镜中，进一步消除了杂光对整形过后高斯光束的质量产生影响。

进一步的，在上述装置的基础上，所述真空组件是一体成型的。方便日后的更换和维护。

进一步的，在上述装置的基础上，所述真空组件的腔体结构直接设置在所述壳体上。对整形装置的结构进行进一步的优化。

进一步的，在上述装置的基础上，还包括消光结构；所述消光结构设置在所述壳体

内朝向高斯光束侧。用于消除多余杂光。

更进一步的，在上述装置的基础上，所述消光结构是设置消光螺纹或者吸光材料。

其中，所述消光结构在安装件朝向高斯光束侧设置消光螺纹或者吸光材料。通过消光结构对杂光进一步进行消除。

进一步的，在上述装置的基础上，还包括散热结构；所述散热结构可以是通过在整形装置中设置水循环通道或者风机装置。通过散热结构的设置对整形装置中因高斯光束聚集造成的热量散发出去，提高整形装置的使用性能和寿命。

本公开通过上述技术方案，解决了采用正焦距透镜对激光整形过程中，实焦距处能量聚集，导致空气电离影响整形效果或者产生电火花损坏光学器件的技术问题，提高了高斯光束整形装置的整形质量以及整形装置的使用性能和寿命。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本公开进行进一步详细描述，但是本领域技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本公开范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1本发明装置结构示意图。

1、第一透镜；11、第一平面；12、第二凸面；2、第二透镜；21、第二凸面；22、第二平面；3、真空组件；4、壳体；31、第一高透部件；32、第二高透部件；33、腔体；34、抽气阀门。

具体实施方式

下面结合附图1，对本公开作详细的说明。

为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本公开进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。

本申请提供的一种高斯光束的整形装置，具有制造成本低、使用性能好、寿命强、安全性能好等优点。

实施例1

一种高斯光束的整形装置，包括如图1所示，第一透镜1、第二透镜2、真空组件3、壳体4。其中壳体4对第一透镜1、第二透镜2以及真空组件3的安装起支撑作用，安装在壳体4内部。利用第一透镜1的正焦距的聚集性使不同方向的光束聚集在焦点处，进行初步的压缩整形。然后在焦点处发散，通过第二透镜2的作用使发散的光束变成均匀的平行光束，实现高斯光束的平顶化。其中高斯光束通过第一透镜1整形后，在真空组件3中聚集。由于真空组件中内部属于真空的状态，即使热量在实焦点处发生聚集，因为没有空气，缺少电离产生的介质，消除了电火花的形成，可以避免整形装置中温度升高，破坏装置的结构。其中，第一透镜1和第二透镜2的焦距最好是重合的。避免因焦距不在一个焦点上，导致光线过于发散，使真空组件的温度上升，或者光线还来不及发散，直接被第二透镜处理，导致能量分布过于集中。通过上述装置，解决了利用正焦距透镜整形高斯光束时，因为实焦距使能量聚集引发电离空气，产生电火花的技术问题，提高了整形后光束的质量以及整形装置的使用性能和寿命。

实施例2

在实施例1的基础上，真空组件包括如图1所示，第一高透部件31、第二高透部件32、腔体33、抽气阀门34。其中抽气阀门34用于对真空组件内部抽真空，第一高透部件31用于高斯光束进入真空组件3内，同时避免光线在通过第一高透部件31时产生反射，进而形成杂光，对整形后高斯光束的质量产生影响。第二高透部件32用于高斯光束离开真空组件3，其作用同第一高透部件相同。腔体33用于组装第一高透部件31、第二高透部件32和抽气阀门34。其中抽气阀门只要不安装在高透部件31、32上即可，避免对高斯光束的进入和离开造成影响。

优选的，第一高透部件31、第二高透部件32、腔体33是圆柱形的。

实施例3

在实施例1的基础上，第一透镜1和第二透镜2采用的是非球面的结构。如图1所示，第一透镜1具有第一平面11和第一凸面12，第二透镜2具有第二凸面21和第二平面22。实际生产过程中，第一透镜1和第二透镜2只有具有正焦距即可。仅是上述设置方式，工艺难度更简单，操作更方便，并不排除第一透镜1和第二透镜2具有其他的形状。

实施例4

在实施例2的基础上，高透部件可以是通过窗口和高透膜组成，具体的可以采用将高透膜镀在光滑的平面玻璃上，提高高斯光束的透过率。

优选的，高透膜的光透过率在99.5%以上。

实施例5

在实施例4的基础上，真空组件3的第一高透部件31和腔体33的轴线不在一条直线上，第一高透部件31的安装轴线与腔体33的安装轴线具有一定的夹角。这样设置的好处是，可以使光束在高透部件表面发射的过程中，特别是垂直进入的光束，不会直接沿原路返回进入到透镜中，从而形成杂光，对高斯光束的整形效果产生影响。

具体的，第一高透部件31与腔体33的轴线有1°-2°的夹角，效果更好。

第二高透部件32余腔体33的轴线，同理，也具有一定的夹角。

实施例6

在实施例5的基础上，真空组件3可以是一体成型的。具体的，可以将带有抽气管的中空的玻璃管两端分别抛光，并镀上高透膜。在抽完真空后，将抽气孔烧结封闭，保持内壁真空状态。真空组件的一体成型可以保证其真空质量，不用反复执行抽真空的操作，同时使整形装置的更换和维护更加的便捷。

实施例7

在实施例5的基础上，真空组件3可以省去结构腔体33，直接将第一高透玻璃31、第二高透玻璃32安装在外壳4上，同时抽气阀门也安装在外壳4上，用于抽真空。通过，省去腔体33，优化了整形装置的空间结构，使其更紧凑。

实施例8

在上述实施例的基础上，整形装置中还具有消光结构。消光结构可以在外壳4的内部加工一些消光的螺纹，或者表面涂覆一层吸光材料，进一步消除杂光对高斯光束整形质量的影响。

实施例9

在上述实施例的基础上，整形装置中还具有散热结构。散热结构可以对外壳4进行双层设计，在中间加入循环说进行散热。也可以是利用散热风机进行散热。虽然真空组件3中形成了真空环境，但仍然会存在一些粒子。当高斯光束在真空组件中聚集时，仍然会有热量辐射出来，使整形装置的温度升高。通过散热装置的加入，使整形装置能够进行散热，避免温度升高，影响整形装置的性能和使用寿命。

以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高斯光束的整形装置，其特征在于，包括：

壳体；

第一透镜，所述第一透镜为正焦距透镜，用于高斯光束的初步整形；

第二透镜，所述第二透镜为正焦距透镜，用于高斯光束的准直；

真空组件，所述真空组件在所述第一透镜和所述第二透镜之间；

所述第一透镜与所述第二透镜的焦距重合；

所述第一透镜、第二透镜、真空组件安装在所述壳体内；

其中，所述真空组件的特征还在于，所述第一透镜、第二透镜的焦距在真空组件内。

2.如权利要求1所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述真空组件还包括：

腔体；

第一高透部件，用于避免高斯光束在部件处产生反射；

第二高透部件，用于避免高斯光束在部件处产生反射；

抽气阀门，用于对真空组件抽真空；

其中，所述第一高透部件、第二高透部件、抽气阀门安装在腔体上，且彼此之间的

结合处是密封的，共同组成真空组件；

且所述第一高透部件、第二高透部件在高斯光束传播的路径上，用于高斯光束进入和离开真空组件。

3.如权利要求1所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜为非球面透镜。

4.如权利要求2所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述第一高透部件、第二高透部件由高透膜和窗口组成。

5.如权利要求4所述的高斯光束的整形装置，其特征在于：

所述第一高透部件的轴线与腔体轴线之间存在一定的夹角；

所述第二高透部件的轴线与腔体轴线之间存在一定的夹角；

其中，所述夹角为1°-2°之间。

6.如权利要求5所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述真空组件是一体成型的。

7.如权利要求5所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述真空组件的腔体结构直接设置在所述壳体上。

8.如权利要求1-7任一项所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，还包括消光结构；

所述消光结构设置在所述壳体内朝向高斯光束侧。

9.如权利要求8所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，所述消光结构是设置消光螺纹或者吸光材料。

10.如权利要求1-7任一项所述的高斯光束的整形装置，其特征在于，还包括散热结构，用于整形装置散热。

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