CN114578551A - 一种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法，属于光学设计领域。技术方案：涉及的光学系统由轴锥反射镜和抛物柱面反射镜组合形成。一束圆形平行激光入射至轴锥反射镜，传播方向折转90°后以环光的形式反射于抛物柱面反射镜上，最终全部汇聚至抛物柱面焦点处，形成聚焦环光。所述的轴锥反射镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成，其顶角是90°；所述的抛物柱面是抛物线绕光轴Z旋转一周形成的曲面，聚焦环光的光斑半径大小d为8mm，此值等于抛物线焦点F与光轴Z的离轴距离。本发明还可以通过改变离轴距离产生任意大小的聚焦环光，不仅设计自由度高，在实际应用中还具有耐高功率激光、结构紧凑和易于加工成型的特点。

Description

一种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法

技术领域

本发明属于光学系统设计领域，特别涉及一种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法。

背景技术

环形聚焦激光光斑是平行激光在一定工作距上由光学系统或相位调制器整形实现，在激光焊接、切割及捕获微小尺寸颗粒方面有着广泛应用。目前国内对于环形聚焦激光光斑的形成主要采用透射式光学系统。例如实用新型专利CN201820983136.2公开了“一种环状聚焦光束系统”，虽然此方式可以获得聚焦环光，但光学透镜较多，增加了系统长度，稍显冗余，且存在一定的色差。再例如中国发明专利CN201710310427.5公开了“一种环形聚焦光斑的实现方法及其实现装置”，整体结构系统较为复杂，由于采用空间光调制器，装置成本增加，且无法承受高功率激光。

发明内容

本发明目的是提供一种紧凑型反射式光学系统设计方法，通过改变反射镜离轴距离即可产生任意大小的聚焦环光，不仅设计自由度高，在实际应用中还具有耐高功率激光、结构紧凑和易于加工成型的特点。

实现本发明目的的技术方案是

所述的光学系统由轴锥反射镜和抛物柱面反射镜组合形成，轴锥反射镜的顶点Q位于抛物柱面反射镜左侧K平面内；轴锥反射镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成，锥线方程L(x,z)在XOZ平面内的定义如下：

X=-Z ₁-Z (5)

公式中的Z ₁是轴锥反射镜顶点Q与坐标原点O之间的距离，即激光工作距，轴锥反射镜锥角是90°；轴锥反射镜大小以入射的激光直径为参考，锥线方程中横坐标Z取值范围如下：

-Z ₁≤ Z ≤1-Z ₁+H / 2 (6)

其中，H是入射的激光直径；

所述的抛物柱面是抛物线绕光轴Z旋转一周形成的曲面，抛物线的对称轴为X轴，其方程P(x,z)在XOZ平面内的定义如下:

Z ² =4f (X+l)=4f (X+f-d) (7)

抛物线的焦距是f，抛物线顶点S与原点O的距离是l，公式中的d是聚焦环光的光斑半径，该大小等于f-l；根据实际应用指标中要求的聚焦光斑d、激光工作距Z ₁和轴锥反射镜大小三个已知条件，可给定光学系统的内环半径D，为防止入射激光的最中心光束反射至抛物柱面后的出射光被轴锥反射镜右侧遮挡，D需满足的条件如下：

(8)

最后，已知点T(-D,-Z ₁)位于抛物线上，将其代入抛物线方程即可计算焦距f，得到抛物线方程的解析式。

在上述技术方案中：抛物柱面反射镜的有效工作区域为Z₂，Z₂的大小与入射光直径相关，因此在实际加工制造时，只需对有效工作区域的抛物柱面反射镜车削即可，提升效率的同时也压缩了整个光学系统的长度。

上述说明仅是本发明方法的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为一种产生环形聚焦光斑的设计方法示意图；

图2为本发明实施例1提供的光学系统结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的设计方法示意图；

图2标记说明：1、轴锥反射镜；2、抛物柱面反射镜；3、聚焦环形光斑。

具体实施方式一

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。

若已知入射平行激光直径为H=25mm，要求设计一套光学系统，目的是在激光工作距离Z ₁=150mm处产生大小为d=8mm的聚焦环光。参见附图1，整个系统总体可由轴锥反射镜和抛物柱面反射镜组合设计形成。选用的轴锥反射镜锥角是90°，由其锥线绕光轴Z旋转一周形成，根据上述公式(1)可知XOZ平面内定义的锥线方程L(x,z)为：

X=-150-Z(9)

参考公式(2)锥线方程中横坐标Z取值范围如下：

-150≤Z≤-136.5 (10)

则轴锥反射镜大小等于 H+2=27mm;

其次，参照公式(3)，在XOZ平面内的抛物线方程P(x,z)如下:

Z ²=4f(X+l)=4f(X+f-8) (11)

求得抛物线的焦距f即可得到抛物线方程；附图1中光学系统的内环半径D可由设计人员结合机械结构大小自行拟定，但为防止入射激光的最中心光束反射至抛物柱面后的出射光被轴锥反射镜右侧遮挡，需满足的条件如下：

(12)

由此我们可定义D=35mm，最后，已知点T(-35,-150)位于抛物线上，将其代入抛物线方程即可计算焦距f=99.52mm，得到抛物线方程的解析式。

参见附图2，整个光学系统的光路结构为：一束圆形平行激光入射至轴锥反射镜(1)，传播方向折转90°后以环光的形式反射于抛物柱面反射镜(2)上，最终全部汇聚至抛物柱面焦点处，形成聚焦环光(3)。

具体实施方式二

参见附图3，公式(3)中抛物线顶点S与原点O的距离l大于焦距f，环光直径d=l-f时，同样可以产生和实施例1大小一样的聚焦环光。与实施例1相比若要保证l不变，即可缩小焦距f来产生相同大小环光，或者通过增加内环半径D来实现，设计自由度很高。

从本发明的实施例可以看出这种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法较为简单，且系统结构紧凑，涉及的轴锥反射镜和抛物柱面镜均可选取铜或铝为材料于单点金刚石车床一次车削成形，加工精度高的同时也提高了效率，在激光加工、焊接和捕获粒子等方面具有很大应用潜力。

Claims (1)

1.一种产生环形聚焦激光光斑的光学系统设计方法，其特征在于:

所述的光学系统由轴锥反射镜和抛物柱面反射镜组合设计形成，轴锥反射镜的顶点Q位于抛物柱面反射镜左侧K平面内；轴锥反射镜由锥线绕光轴Z旋转一周形成，锥线方程L(x,z)在XOZ平面内的定义如下：

X=-Z ₁-Z (1)

Z₁是轴锥反射镜顶点Q与坐标原点O之间的距离，其值为150mm，即激光工作距为150mm，轴锥反射镜锥角是90°，锥线方程中横坐标Z取值范围如下：

-Z ₁≤ Z ≤1-Z ₁+H / 2 (2)

其中，H是入射的激光直径，其值为25mm，轴锥反射镜右侧尺寸为(H+2)=27mm;

所述的抛物柱面是抛物线绕光轴Z旋转一周形成的曲面，抛物线的对称轴为X轴，其方程P(x,z)在XOZ平面内的定义如下:

Z ² =4f (X+l)=4f (X+f-d) (3)

抛物线的焦距是f，抛物线顶点S与原点O的距离是l，公式中的d是聚焦环光的光斑半径，该大小等于|f-l|=8mm；根据实际应用指标中要求的聚焦光斑d=8mm、激光工作距Z ₁=150mm和轴锥反射镜右侧尺寸27mm三个已知条件，可给定光学系统的内环半径D；为防止入射激光的最中心光束反射至抛物柱面后的出射光被轴锥反射镜右侧遮挡，D需满足的条件如下：

(4)

给定内环半径D=35mm，最后，已知点T(-D,-Z ₁)位于抛物线上，将其代入抛物线方程即可计算焦距f=99.52mm，得到抛物线方程的解析式。

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