CN210172798U - 一种匀化长焦深光束的光学产生系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其可满足切割材料厚度的加工要求，实现在小功率激光能量情况下，增加有效焦深，提高加工效率，且可在轴向焦深范围内激光束光强分布均匀，保证产品加工质量；其包括轴锥镜、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括第一聚焦镜、第二聚焦镜，所述第一聚焦镜设置于所述轴锥镜与所述第二聚焦镜之间，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜之间插入设置有轴向衍射元件。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工技术领域，具体为一种匀化长焦深光束的光学产生系统。
背景技术
在现代工业生产中，运用激光作为加工手段进行各种材料的切割、焊接、标记等已经广泛应用，随着激光切割中，被切割材料厚度的增加，激光内切割技术受到普通高斯激光焦深等的影响，无法对被切割材料完成一次性切割，其加工效率随之降低，无法满足目前市场对该技术加工效率的要求，则为了满足加工要求，就需要增加有效焦深，但受到衍射极限的影响，为了获得长焦深激光束，所需要的激光功率会相应的提高，以及在轴向焦深范围内的光强分布上，激光束也是不均匀、逐渐变化的，这就会导致影响加工质量。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提供了一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其可满足切割材料厚度的加工要求，实现在小功率激光能量情况下，增加有效焦深，提高加工效率，且可在轴向焦深范围内激光束光强分布均匀，保证产品加工质量。
其技术方案是这样的：其特征在于：其包括轴锥镜、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括第一聚焦镜、第二聚焦镜，所述第一聚焦镜设置于所述轴锥镜与所述第二聚焦镜之间，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜之间插入设置有轴向衍射元件。
其进一步特征在于：
所述轴锥镜的焦点位置与所述第一聚焦镜的焦点位置重合，所述轴锥镜的顶角角度与所述第一聚焦镜的数值孔径匹配；
所述轴锥镜的顶角角度为160°，所述轴锥镜的光束口径不大于所述第一聚焦镜的直径的2/3；
在所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜之间插入设置所述轴向衍射元件之前，所述共轭成像系统形成的单光束聚焦的焦深，为入射光束经过所述轴向衍射元件、第二聚焦镜后产生的焦深的1/N，其中，N为所述轴向衍射元件的有效衍射阶数；
所述第一聚焦镜的有效焦距为35mm，所述第二聚焦镜的有效焦距为10mm，所述共轭成像系统的成像放大率为0.29；
所述第一聚焦镜和第二聚焦镜均采用非球面型镜片或复合透镜。
本实用新型的有益效果是，通过在第一聚焦镜、第二聚焦镜之间插入设置有轴向衍射元件，光束在轴向衍射元件作用下，可产生轴向排列的多个子光束的叠加，而叠加的光强曲线在焦深范围内更为均匀，从而可满足切割材料厚度的加工要求，实现在小功率激光能量情况下，增加有效焦深，提高加工效率，且可在轴向焦深范围内激光束光强分布均匀，保证了产品加工质量。
附图说明
图1为本实用新型的光学结构图；
图2为轴向衍射元件与第二聚焦镜产生多个焦点的原理示意图；
图3为基于高斯光束经过轴锥镜变换后产生的单个类贝塞尔光束轴上光强分布示意图；
图4为基于高斯光束经过匀化长焦深光束的光学系统产生的叠加类贝塞尔光束轴上光强分布示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图4对本实用新型的一种匀化长焦深光束的光学产生系统的实施例作
详细的说明。
如图1所示，本实用新型包括轴锥镜21、共轭成像系统，共轭成像系统包括第一聚焦镜31、第二聚焦镜51，其中，轴锥镜21是用于将入射高斯光束61整形为类贝塞尔光束；而类贝塞尔光束在经过由第一聚焦镜31、第二聚焦镜51组成的共轭成像系统后，可形成具有特定大小和焦深的聚焦光束62；第一聚焦镜31的有效焦距为35mm，第二聚焦镜51的有效焦距为10mm，共轭成像系统的成像放大率为0.29；第一聚焦镜31设置于轴锥镜21与第二聚焦镜51之间，第一聚焦镜31、第二聚焦镜51之间插入设置有轴向衍射元件41，轴向衍射元件41具体为表面微结构蚀刻成型的物理光学衍射元件，单束平行光在经过轴向衍射元件41之后，可分裂为具有不同发散角的两束以上光束，再经过第二聚焦镜51后，可得到多个类贝塞尔光束的纵向排列叠加合成聚焦光束62；经过轴向衍射元件41之后，所形成的像面分裂间隔距离，与未放置轴向衍射元件之前所形成的共轭成像单个类贝塞尔光束的焦深基本相等。
轴锥镜21的焦点位置与第一聚焦镜31的焦点位置重合，轴锥镜21的顶角角度与第一聚焦镜的31数值孔径匹配；轴锥镜21的顶角角度为160°，轴锥镜21的光束口径不大于第一聚焦镜31的直径的2/3，具体地，第一聚焦镜31的数值孔径NA由第一聚焦镜31的孔径与焦距的比值决定，计算关系式为NA＝D/2F,其中D为第一聚焦镜31镜片直径，F为第一聚焦镜31镜片的焦距。
在第一聚焦镜31和第二聚焦镜51之间插入设置轴向衍射元件41之前，共轭成像系统形成的单光束聚焦的焦深，为最终产生的焦深的1/N，即为入射高斯光束61经过轴向衍射元件、第二聚焦镜后产生的焦深的1/N，其中，N为轴向衍射元件41的有效衍射阶数，即模式分裂的数目。
第一聚焦镜31和第二聚焦镜51均采用非球面型镜片或复合透镜，可优化像差，提升最终光束的轴向强度分布的均匀度和有效焦深。
本实用新型中，首先，入射高斯光束61(入射高斯光束61的光束质量因子M2小于1.5，脉冲宽度小于20ps，波长为200nm～2000nm)经过轴锥镜21之后，形成单个类贝塞尔光束，如图3所示，单个类贝塞尔光束呈现的是轴向光强分布不均匀，类贝塞尔光束光强曲线71逐渐变弱的趋势；然后如图2所示，光束通过轴向衍射元件41分裂为发散角不同但能量均等的N个子光束，具体呈现出的是在像面位置上产生轴向排列的N个子光束的叠加，如图4所示，N个子光束叠加的光强曲线72在焦深范围内比较均匀；再经过第二聚焦镜51聚焦为轴向间隔相等的多个焦点63，而焦点63的长度，约为单个类贝塞尔光束的有效焦深。
以上的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：其包括轴锥镜、共轭成像系统，所述共轭成像系统包括第一聚焦镜、第二聚焦镜，所述第一聚焦镜设置于所述轴锥镜与所述第二聚焦镜之间，所述第一聚焦镜、第二聚焦镜之间插入设置有轴向衍射元件。
2.根据权利要求1所述的一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：所述轴锥镜的焦点位置与所述第一聚焦镜的焦点位置重合，所述轴锥镜的顶角角度与所述第一聚焦镜的数值孔径匹配。
3.根据权利要求2所述的一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：所述轴锥镜的顶角角度为160°，所述轴锥镜的光束口径不大于所述第一聚焦镜的直径的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：在所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜之间插入设置所述轴向衍射元件之前，所述共轭成像系统形成的单光束聚焦的焦深，为入射光束经过所述轴向衍射元件、第二聚焦镜后产生的焦深的1/N，其中，N为所述轴向衍射元件的有效衍射阶数。
5.根据权利要求1所述的一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：所述第一聚焦镜的有效焦距为35mm，所述第二聚焦镜的有效焦距为10mm，所述共轭成像系统的成像放大率为0.29。
6.根据权利要求1所述的一种匀化长焦深光束的光学产生系统，其特征在于：所述第一聚焦镜和第二聚焦镜均采用非球面型镜片或复合透镜。
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