CN216118243U - 一种输出可变矩形匀化光斑的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种输出可变矩形匀化光斑的系统，该系统通过光束准直部结合包含第一至第四一维单面柱面透镜阵列的光斑匀化部以及积分透镜部，该光斑匀化部通过固定第二和第三一维单面柱面透镜阵列保持不动，移动第一或第四一维单面柱面透镜阵列，实现了矩形光斑面积在大范围内自由变化，且光斑面积均匀性好。另外，该光斑匀化部的第二和第三一维单面柱面透镜阵列贴合在一起保持不动，第一和第四一维单面柱面透镜阵列可移动，在实际使用中操作更加方便快捷，根据所选的透镜参数，放置第一或第四一维单面柱面透镜阵列至目标位置，即可获得目标光斑。且该系统使用的透镜均可以是标准透镜，方便系统的日常维护，通用性强。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光匀束领域，尤其涉及一种输出可变矩形匀化光斑的系统。
背景技术
激光具有方向性好、单色性强、能量集中的优势，其在激光切割、激光焊接、激光加热等多个领域中具有不可或缺的作用。但激光束光强呈现高斯分布，激光中心能量高，边缘能量低，在实际生产应用中导致出现作用不均匀等问题，并且传统的高斯分布式的光斑已经无法满足多数加工需求。为解决以上问题，设计一种长宽可变的矩形匀化光斑的系统是目前研究的重点。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是提供一种输出可变矩形匀化光斑的系统，该系统通过光束准直部结合包含第一至第四一维单面柱面透镜阵列的光斑匀化部以及积分透镜部，该光斑匀化部通过固定第二和第三一维单面柱面透镜阵列保持不动，移动第一或第四一维单面柱面透镜阵列，实现了矩形光斑面积在大范围内自由变化，且光斑面积均匀性保持在90％以上。另外，该光斑匀化部的第二和第三一维单面柱面透镜阵列贴合在一起保持不动，第一和第四一维单面柱面透镜阵列可移动，在实际使用中操作更加方便快捷，根据所选的透镜参数，放置第一或第四一维单面柱面透镜阵列至目标位置，即可获得目标光斑。且该系统使用的透镜均可以是标准透镜，方便系统的日常维护，通用性强。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种输出可变矩形匀化光斑的系统，包括：
光束准直部，用于对入射光束进行准直；
光斑匀化部，包括第一、第二、第三和第四一维单面柱面透镜阵列，其中，
第一一维单面柱面透镜阵列，用于将准直后的光束沿竖直方向分割成若干个第一子光束；
第二一维单面柱面透镜阵列，用于接收所述若干个第一子光束，将第一子光束沿水平方向切割分成若干个第二子光束；
第三一维单面柱面透镜阵列，用于接收竖直方向的子光束，和第一一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果；
第四一维单面柱面透镜阵列，用于接收水平方向的子光束，和第二一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果；
积分透镜部，用于接收传输经过光斑匀化部的光束，对该光束进行聚焦；
其中，所述第二一维单面柱面透镜阵列与所述第三一维单面柱面透镜阵列保持静止不动，沿光束的传输路径，所述第一一维单面柱面透镜阵列在第三一维单面柱面透镜阵列的前焦面前后移动，所述第四一维单面柱面透镜阵列在所述第二一维单面柱面透镜阵列的后焦面前后移动。
进一步地，还包括一发射单模光束的激光器，所述激光器发射光束的出光口位于所述第一凸透镜的焦平面。
进一步地，所述积分透镜部由一面双凸透镜组成。
进一步地，光束准直部包含沿入射光束传输路径先后布置的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜面对面布置。
进一步地，所述第二一维单面柱面透镜阵列与所述第三一维单面柱面透镜阵列贴合，并保持不动。
进一步地，当第一一维单面柱面透镜阵列与第三一维单面柱面透镜阵列之间的间距为a13时，输出的光斑在竖直方向上的尺寸Sy为：
其中，所述积分透镜部的焦距为F，第一一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f1，第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f3，第一一维单面柱面透镜阵列与第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
进一步地，当第四一维单面柱面透镜阵列与第二一维单面柱面透镜阵列之间的间距为a24时，输出的光斑在水平方向上的尺寸Sx为：
其中，所述积分透镜部的焦距为F，第二一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f2，第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f4，第二一维单面柱面透镜阵列与第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
附图说明
图1是本实用新型提供的输出可变矩形匀化光斑的系统光路示意图。
图2是本实用新型一实施例输出的匀化光斑水平强度的二维分布图。
图3是本实用新型一实施例输出的匀化光斑竖直强度的二维分布图。
具体实施方式
接下来将结合本实用新型的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本实用新型保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本实用新型一实施例提供一种输出可变矩形匀化光斑的系统，该系统包括激光器、光束准直部、光斑匀化部和积分透镜。激光器优选半导体激光器，该激光器发射单模的高斯激光束作为入射光束，入射光束依次传输经过光束准直部、光斑匀化部和积分透镜，输出尺寸可控的矩形匀化光斑。矩形匀化光斑的尺寸可在大范围内自由变化，例如在10mm×10mm～25mm×25mm范围变化。其均匀性保持在90％以上。
光束准直部1用于对入射光束进行准直，其由两片不同的双凸透镜组成。具体地，光束准直部由第一凸透镜和第二凸透镜组成，第一凸透镜和第二凸透镜沿入射光束传输路径先后面对面布置。激光器发射光束的出光口位于第一凸透镜的焦平面。
沿光束传输路径上，光斑匀化部包含依次排列的第一一维单面柱面透镜阵列2、第二一维单面柱面透镜阵列3、第三一维单面柱面透镜阵列4和第四一维单面柱面透镜阵列5。第一一维单面柱面透镜阵列2用于接收准直后的激光高斯光束，将光束竖直方向切割分成若干个子光束，并和第三一维单面柱面透镜阵列组成一组微透镜阵列组，对激光竖直方向进行匀化处理。第二一维单面柱面透镜阵列3用于接收传输经过第一一维单面柱面透镜阵列2的若干个子光束，将光束水平方向切割分成若干个子光束，并和第四一维单面柱面透镜阵列组成一组微透镜阵列组，对光束水平方向进行匀化处理。第三一维单面柱面透镜阵列4用于接收激光竖直方向的子光束，和第一一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果。第四一维单面柱面透镜阵列5用于接收激光水平方向子光束，和第二一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果。
其中，第二一维单面柱面透镜阵列3和第三一维单面柱面透镜阵列4贴合在一起，保持静止不动。第一一维单面柱面透镜阵列2在第三一维单面柱面透镜阵列4的前焦面前后范围内移动，第四一维单面柱面透镜阵列5在第二一维单面柱面透镜阵列3的后焦面前后范围内移动。
积分透镜部6由一面双凸透镜组成，用于接收传输经过光斑匀化部的光束，即用于接收经过微透镜阵列组处理后的竖直方向与水平方向的子光束，对该光束进行聚焦，得到所需矩形匀化光斑。激光束传输经过积分透镜部6之后，在积分透镜部的焦面上输出矩形匀化光斑。依据矩形匀化光斑的尺寸需要，可以移动第一一维单面柱面透镜阵列2或者移动第四一维单面柱面透镜阵列5获得目标尺寸光斑。也可以通过更换积分透镜部的型号参数来实现目标功能。
具体地，在移动的过程中，当第一一维单面柱面透镜阵列2与第三一维单面柱面透镜阵列4之间的间距为a13时，输出的光斑在竖直方向上的尺寸Sy为：
其中，积分透镜部的焦距为F，第一一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f1，第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f3，第一一维单面柱面透镜阵列与第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
当第四一维单面柱面透镜阵列与第二一维单面柱面透镜阵列之间的间距为
a24时，输出的光斑在水平方向上的尺寸Sx为：
其中，积分透镜部的焦距为F，第二一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f2，第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f4，第二一维单面柱面透镜阵列与第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
在一实施例中，为得到25mm×10mm的匀化光斑，此时竖直方向目标光斑尺寸为10mm，调节第一一维单面柱面透镜阵列和第三一维单面柱面透镜阵列之间的间距，水平方向光斑尺寸为25mm，调节第二一维单面柱面透镜阵列和第四单面柱面透镜阵列之间的间距。根据上述光斑尺寸计算公式式1和式2，选用的微透镜阵列焦距f1为18.7mm，f3为18.7mm，孔径p为1.3mm，积分透镜的焦距F为250mm，Sy为10mm，通过计算得到第一一维单面柱面透镜阵列和第三一维单面柱面透镜阵列之间的间距a13为26.64mm。选用的微透镜阵列焦距f2为18.7mm，f4为18.7mm，孔径p为1.3mm，Sx为25mm，通过计算得到第二一维单面柱面透镜阵列和第四单面柱面透镜阵列之间的间距a34为10.49mm。移动第一一维单面柱面透镜阵列以及第四一维单面柱面透镜阵列至计算获得的间距值，获得的矩形匀化光斑水平强度和竖直强度的二维分布图如图2至图3示，可见本实用新型的系统获得的矩形光斑均匀性好。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，包括：
光束准直部，用于对入射光束进行准直；
光斑匀化部，包括第一、第二、第三和第四一维单面柱面透镜阵列，其中，
第一一维单面柱面透镜阵列，用于将准直后的光束沿竖直方向分割成若干个第一子光束；
第二一维单面柱面透镜阵列，用于接收所述若干个第一子光束，将第一子光束沿水平方向切割分成若干个第二子光束；
第三一维单面柱面透镜阵列，用于接收竖直方向的子光束，和第一一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果；
第四一维单面柱面透镜阵列，用于接收水平方向的子光束，和第二一维单面柱面透镜阵列构成光路通道，消除子光束的衍射效果；
积分透镜部，用于接收传输经过光斑匀化部的光束，对该光束进行聚焦；
其中，所述第二一维单面柱面透镜阵列与所述第三一维单面柱面透镜阵列保持静止不动，沿光束的传输路径，所述第一一维单面柱面透镜阵列在第三一维单面柱面透镜阵列的前焦面前后移动，所述第四一维单面柱面透镜阵列在所述第二一维单面柱面透镜阵列的后焦面前后移动。
2.根据权利要求1的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，光束准直部包含沿入射光束传输路径先后布置的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜面对面布置。
3.根据权利要求1或2的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，所述积分透镜部由一面双凸透镜组成。
4.根据权利要求2的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，还包括一发射单模光束的激光器，所述激光器发射光束的出光口位于所述第一凸透镜的焦平面。
5.根据权利要求1、2或4的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，所述第二一维单面柱面透镜阵列与所述第三一维单面柱面透镜阵列贴合，并保持不动。
6.根据权利要求5的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，当第一一维单面柱面透镜阵列与第三一维单面柱面透镜阵列之间的间距为a13时，输出的光斑在竖直方向上的尺寸Sy为：
其中，所述积分透镜部的焦距为F，第一一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f1，第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f3，第一一维单面柱面透镜阵列与第三一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
7.根据权利要求5的所述输出可变矩形匀化光斑的系统，其特征在于，当第四一维单面柱面透镜阵列与第二一维单面柱面透镜阵列之间的间距为a24时，输出的光斑在水平方向上的尺寸Sx为：
其中，所述积分透镜部的焦距为F，第二一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f2，第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的焦距为f4，第二一维单面柱面透镜阵列与第四一维单面柱面透镜阵列中每个透镜的孔径为p。
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|---|---|---|---|---|
| CN114654108A (zh) * | 2022-04-09 | 2022-06-24 | 法特迪精密科技（苏州）有限公司 | Mems探针硅片切割装置 |
| CN114769626A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-07-22 | 南京中科煜宸激光技术有限公司 | 用于激光增材制造系统的宽带激光熔覆头 |
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| CN114654108B (zh) * | 2022-04-09 | 2023-06-23 | 法特迪精密科技（苏州）有限公司 | Mems探针硅片切割装置 |
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