DE112013003585B4

DE112013003585B4 - Zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013003585B4
Application number: DE112013003585.5T
Authority: DE
Inventors: Jiaying LI; Chaoming Zhou; Bo Sun; Yuqing Chen; Yunfeng Gao
Original assignee: Hans Cnc Science And Tech Co Ltd; HAN'S CNC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: JP2015523608A; JP5976214B2; CN103576318A; WO2014012417A1; US20150205136A1; US9329395B2; DE112013003585T5; CN103576318B

Abstract

Zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser, mit: einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse, die entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind; wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen und die zweite Linse eine Meniskus-Zerstreuungslinse ist, wobei
die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche aufweist, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche aufweist und die ersten bis sechsten Flächen entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind,
Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen ∞, -29,8 mm, 7,2 mm, 1,6 mm, ∞ bzw. -100 mm betragen,
Mittendicken der ersten bis dritten Linsen 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen,
Aussendurchmesser der ersten bis dritten Linsen 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen,
Verhältnisse zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl der ersten bis dritten Linsen 1,8:25, 1,48:68, bzw. 1,8:25 betragen,
ein Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 8 bis 28 mm liegt, ein Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 107 bis 115 mm liegt, und
Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl, und des Abstandes 5% betragen.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitungstechnik und insbesondere ein zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem Fachgebiet der Laserbearbeitung ist der Lichtaustrittsdurchmesser Φ eines Laserstrahls relativ klein (etwa 1 mm). Wenn ein derartiger schmaler Lichtstrahl direkt fokussiert wird, wird eine größere Rayleigh-Beugungsscheibe erhalten. Gemäß dem Rayleigh-Kriterium: δ = 2,44λf/D, wobei δ einen Durchmesser der Rayleigh-Streuscheibe, D einen Eintrittspupillendurchmesser und f eine Brennweite darstellen, kann gefolgert werden, dass mit abnehmendem Eintrittspupillendurchmesser D der Durchmesser δ größer und die Leistung am Brennpunkt schwächer wird, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit des Systems wesentlich vermindert wird. Daher wird in einem für eine Laserbearbeitung verwendeten optischen System immer ein Strahlaufweiter verwendet, um den von einem Laser emittierten schmalen Lichtstrahl aufzuweiten, woraufhin der aufgeweitete Lichtstrahl durch eine Laserbearbeitungsfokussierungslinse fokussiert wird.
Gemäß dem Lagrange-Invarianten-Theorem gilt: J = nDθ = n'D'θ', wobei n und n' jeweils Brechungsindizes von Medien im Objektbereich und im Bildbereich des optischen Systems darstellen, wobei, wenn die Medien an der Objektseite und an der Bildseite beide Luft sind, n = n' = 1 ist. D und D' stellen einen Eintrittspupillendurchmesser bzw. einem Austrittspupillendurchmesser des optischen Systems dar. θ und θ' stellen die Feldwinkel von einfallendem Licht bzw. austretendem Licht dar, die im Bogenmaß dargestellt werden können, wenn sie zu klein sind. Es kann gefolgert werden, dass, wenn θ relativ groß ist, der Lichtstrahl durch den Strahlaufweiter für eine nachfolgende Laserbearbeitung β = D/D'-fach aufgeweitet werden kann.
Bei der Bearbeitung sind Laserwellenlängen λ, die für verschiedene zu bearbeitende Gegenstände geeignet sind, verschieden, beispielsweise beträgt λ = 1064 nm, λ = 532 nm, λ = 266 nm, usw., so dass verschiedene optische Strahlaufweiter bereitgestellt werden, die für Laser mit verschiedenen Wellenlängen geeignet sind. Gleichzeitig wird aber auch verlangt, dass der optische Strahlaufweiter einen größeren Anwendungsbereich haben soll, d.h. dass ein Strahlaufweiter für verschiedene Anwendungsumgebungen geeignet sein soll, wie beispielsweise für verschiedene Austrittspupillendurchmesser und Divergenzwinkel eines Lasers. Darüber hinaus muss der optische Strahlaufweiter für verschiedene Laserbearbeitungsfokussierungslinsen anpassbar sein, um eine ideale Kopplung zu erzielen. Daher wird ein zoombarer Strahlaufweiter ein Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Laserbearbeitung sein. Derzeit wird typischerweise eine 2- bis 8-fache Vergrößerung eines zoombaren Strahlaufweiters bereitgestellt, was zu klein ist, um die Anforderungen für die Laserbearbeitung zu erfüllen. Wenn ein größerer Zoomfaktor erforderlich ist, muss ein Strahlaufweiter mit einer festen Vergrößerung verwendet werden, so dass ein Bedarf für mehrere Zoomfaktoren nicht einfach durch einen einzelnen Strahlaufweiter erfüllt werden kann, was für die Laserbearbeitung unzweckmäßig ist und die Effizienz der Laserbearbeitung beeinträchtigt.
CN 101414052 A offenbart ein galvanisches Mehrwellenlängen-Laserstrahlaufweitungs-Strahlablenkungssystem, das aus einer konvexen Multifokallinsenlinse, einer plankonkaven einachsigen asphärischen Linse und einer plankonkaven quadratischen nichtsphärischen Kompensations-Linse besteht. Das System kann den Strahl einer beliebigen Laserwellenlänge mit dem Divergenzwinkel des Auftauchens innerhalb von 5 mrad im Intervall von 250-2300 nm durch Variationsleistung innerhalb von 2-12 Malen kontinuierlich erweitern, und es ist kein realer Konvergenzpunkt in dem System verfügbar. Das System kann auf dem Gebiet der intensiven Laser angewendet werden. Bei der Konstruktion wird eine perfekte Linse hinter einem Kompensationsspiegel hinzugefügt, so dass das erhaltene Bild des Systems beweist, dass die PV-Werte der Wellenaberration im zentralen Sichtfeld des Lasers bei jeder Wellenlänge im gesamten Wellenband Lambada / 50 überlegen sind, der PV-Wert von 0,7 Vision Feld grundsätzlich besser als Lambada / 10 ist, der PV-Wert von 1 Vision Feld besser als Lambada / 4 ist und der Ausrichtungseffekt des erweiterten Strahls ist gut.
KR 10 2010 0 048 092 A stellt einen Zoom-Verstärker wird bereit, um kollimiertes Licht mit einem konstanten Durchmesser ungeachtet eines Durchmessers eines Laserlichts durch aufeinanderfolgendes Anordnen einer ersten positiven Linse, einer zweiten negativen Linse und einer dritten positiven Linse zu emittieren und ein Zoomen durch Bewegen der zweiten negativen Linse entlang einer Lichtachse zu implementieren. Eine erste positive Linse hat eine positive Brechkraft. Eine erste positive Linse verteilt das Licht neu, das von einer Lichtquelle emittiert wird und die Gauß'sche Verteilung der axialen Symmetrie aufweist, um das Licht zu planarisieren. Die erste positive Linse bestrahlt das planarisierte Licht. Eine zweite negative Linse verstärkt und emittiert das von der ersten positiven Linse emittierte Licht. Die zweite negative Linse hat eine negative Brechkraft und beide Seiten sind vertieft.
CN 101211001 A betrifft einen Zoom-Expander, umfassend einen ersten Übergangszyklus zwischen einem Zugrohr und einem ersten Einstellgriff und einen zweiten Übergangszyklus zwischen dem Zugrohr und einem zweiten Einstellgriff, wobei der erste Übergangszyklus mit dem ersten Einstellgriff koordiniert ist durch eine erste Stift / Spiral-Schlitzmaschine und koordiniert mit einem ersten Gleitrohr durch einen Synchronisiermechanismus; der zweite Übergangszyklus ist mit dem zweiten Einstellgriff über die erste Stift- / Keilnut-Schlitzmaschine koordiniert und mit einem zweiten Gleit-Zugrohr durch einen zweiten Stift / die Spiral-Schlitzmaschine koordiniert. Der erste und der zweite Übergangszyklus sind axial mit einem Verbindungsmechanismus durch eine erste Drehwelle verbunden. Mit der Struktur sind ein erster Linsensatz und ein zweiter Linsensatz mit einem dritten Linsensatz verbunden, um die konfokale Einstellung zu erreichen. Zusätzlich ist ein präziser Einstellungsmechanismus in dem Zoom-Expander angeordnet, so dass die Parallelitätsebene des austretenden Lasers innerhalb des angegebenen Zooms mit einfacher Einstellung und Zuverlässigkeit genau angepasst sein kann.
DE 10 2009 025 182 A1 offenbart einen optischen Strahlaufweiter aufweisend eine erste, zweite und dritte Fassung, die jeweils zumindest eine Linse haltern und so miteinander verbunden sind, dass sowohl die erste und zweite Fassung als auch die zweite und dritte Fassung jeweils in Längsrichtung des Strahlaufweiters relativ zueinander verschiebbar sind, um den Abstand der durch die entsprechenden Fassungen gehalterten Linsen zu verändern und aufweisend ein erstes elastisches Element, das mit der ersten oder zweiten Fassung verbunden ist, um die zwischen der ersten und zweiten Fassung vorliegende Spielpassung zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zu lösendes technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser bereitzustellen, um das Problem der begrenzten Aufweitungsfähigkeit und der unzureichenden Anpassung herkömmlicher zoombarer Strahlaufweiter zu lösen.
Technische Lösung
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Lösung erhalten.
Ein zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser weist auf: eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse, die entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind, wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen und die zweite Linse eine Meniskus-Zerstreuungslinse ist, wobei
die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche aufweist, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche aufweist und die ersten bis sechsten Flächen entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind,
Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen ∞, -29,8 mm, 7,2 mm, 1,6 mm, ∞ bzw. -100 mm betragen;
Mittendicken der ersten bis dritten Linsen 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen,
Aussendurchmesser der ersten bis dritten Linsen 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen,
Verhältnisse zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl der ersten bis dritten Linse 1,8:25, 1,48:68, bzw. 1,8:25 betragen,
ein Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 8 bis 28 mm liegt, ein Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 107 bis 115 mm liegt, und
Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl und des Abstandes 5% betragen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laser, einem Aufweitungssystem, das dafür konfiguriert ist, einen durch einen Laser emittierten Laserstrahl aufzuweiten, und einer Fokussierungslinse bereitzustellen, die dafür konfiguriert ist, den aufgeweiteten Lichtstrahl zu fokussieren, wobei das Aufweitungssystem das vorstehend beschriebene zoombare Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser ist.
Vorteilhafte Wirkungen
In der vorliegenden Erfindung kann durch die vorstehend beschriebene Konfiguration der Linsen des Aufweitungssystems der Lichtstrahl eines grünen Lasers auf das 2-bis 16-fache des ursprünglichen Lichtstrahls vergrößert werden, was weit über den Vergrößerungbereich eines herkömmlichen Strahlaufweiters hinausgeht, so dass das Aufweitungssystem für eine größere Anzahl von Lasern mit verschiedenen Durchmessern und Divergenzwinkeln geeignet ist und der Anwendungsbereich des Aufweitungssystems erweitert und die Effizienz der Laserbearbeitung verbessert wird. Weil die maximale Vergrößerung des Systems größer ist als diejenige des herkömmlichen Strahlaufweiters, ist die formende Wirkung auf den Strahl besser und werden die Strahlfokussierungsleistung sowie die Genauigkeit der Laserbearbeitung effektiv verbessert.
Weil das Aufweitungssystem einen größeren Vergrößerungsbereich hat und hochgradig anpassungsfähig ist, hat die Laserbearbeitungsvorrichtung, in der das Aufweitungssystem verwendet wird, eine bessere Bearbeitungsgenauigkeit und eine höhere Bearbeitungseffizienz.
Figurenliste

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Strahlfleckdiagramm des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt einen Graphen zum Darstellen einer MTF-Kennlinie des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 zeigt einen Graphen zum Darstellen einer Energiekonzentration des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch gründliche Durchsicht der folgenden Beschreibung und anhand der Zeichnungen deutlich. Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch in vielen verschiedenen Formen implementiert werden und sollten nicht als auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die zur Erläuterung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung realisierbar ist.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zur Vereinfachung der Darstellung zeigt 1 nur einen mit der Ausführungsform in Beziehung stehenden Teil des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser.
Das zoombare Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser ist vor allem für grünes Licht anwendbar, insbesondere für grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm. Gemäß 1 weist das System eine erste Linse L1, eine zweite Linse L2 und eine dritte Linse L3 auf, die entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind. Die erste Linse L1 ist eine plankonvexe Sammellinse, die zweiten Linse L2 ist eine Meniskus-Zerstreuungslinse, und die dritte Linse L3 ist eine plankonvexe Sammellinse. Die erste Linse L1 weist eine erste Fläche S1 und eine zweite Fläche S2 auf, die entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet sind, d.h. die erste Fläche S1 und die zweite Fläche S2 dienen als eine Lichteintrittsfläche bzw. eine Lichtaustrittsfläche. Ähnlicherweise weist die zweite Linse L2 eine dritte Fläche S3 und eine vierte Fläche S4 auf und weist die dritte Linse L3 eine fünfte Fläche S5 und eine sechste Fläche S6 auf. Das einfallende Licht breitet sich entlang einer Richtung von der ersten Fläche S1 zur sechsten Fläche S6 aus und ist aufgeweitet, nachdem es das gesamte zoombare Strahlaufweitungssystem durchlaufen hat.
In dem System ist die erste Fläche S1 der ersten Linse L1 eine Ebene, so dass ein Krümmungsradius der ersten Fläche S1 ∞ ist, und ist die zweite Fläche S2 der ersten Linse L1 bezüglich der ersten Fläche S1 nach außen gewölbt, wobei ein Krümmungsradius der zweiten Fläche S2 -29,8 mm beträgt. Das Minuszeichen zeigt an, dass ein sphärischer Mittelpunkt der Fläche auf der Objektseite der Fläche angeordnet ist, und ein Pluszeichen (in der Ausführungsform stellt ein Zahlenwert ohne Minuszeichen einen positiven Wert dar) zeigt an, dass ein sphärischer Mittelpunkt der Fläche auf der Bildseite der Fläche angeordnet ist, wobei diese Definition in der folgenden Beschreibung auf alle Zahlenwerte angewendet wird. Außerdem beträgt eine Mittendicke d1 der ersten Linse L1 (d.h. die Dicke der ersten Linse L1 auf der optischen Achse) 2 mm, und ein Außendurchmesser D1 der ersten Linse L1 beträgt 10 mm. Ein Verhältnis zwischen einem Brechungsindex Nd1 und einer Abbe'schen Zahl Vd1 der ersten Linse L1 beträgt 1,8:25. Jeder der vorstehend beschriebenen Parameter ist nicht die einzige Option und hat einen Toleranzbereich von 5%, d.h. die einzelnen Parameter der zweiten Linse L2 können ± 5% abweichen.
Die dritte Fläche S3 der zweiten Linse L2 ist zur Objektseite hin gewölbt, wobei ein Krümmungsradius der dritten Fläche S3 7,2 mm beträgt, die vierte Fläche S4 ist ebenfalls zur Objektseite hin gewölbt, erstreckt sich aber bezüglich der dritten Fläche S3 konkav, wobei ein Krümmungsradius der vierten Fläche S4 1,6 mm beträgt. Ein Verhältnis zwischen einem Brechungsindex Nd3 und einer Abbe'schen Zahl Vd3 der zweiten Linse L2 beträgt 1,48:68, eine Mittendicke d3 der zweiten Linse L2 beträgt 1 mm, und ein Außendurchmesser D2 der zweiten Linse L2 beträgt 3 mm. Ein Toleranzbereich für jeden Parameter der zweiten Linse L2 beträgt ebenfalls 5%.
Die fünfte Fläche S5 der dritten Linse L3 ist eine Ebene, so dass ein Krümmungsradius der fünften Fläche S5 ∞ ist, die sechste Fläche S6 ist bezüglich der fünften Fläche S5 nach außen gewölbt, wobei ein Krümmungsradius der sechsten Fläche S6 -100 mm beträgt. Ein Verhältnis zwischen einem Brechungsindex Nd5 und einer Abbe'schen Zahl Vd5 der dritten Linse L3 beträgt 1,8:25, eine Mittendicke d5 der dritten Linse L3 beträgt 4 mm, und ein Außendurchmesser D3 der dritten Linse L3 beträgt 34 mm. Ein Toleranzbereich für jeden Parameter der zweiten Linse L2 beträgt ebenfalls 5%.
Außerdem sind ein Abstand zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 und ein Abstand zwischen der zweiten Linse L2 und der dritten Linse L3 hierin begrenzt. Insbesondere beträgt ein Abstand d2 zwischen der Lichtaustrittsfläche (der zweiten Fläche S2) der ersten Linse L1 und der Lichteintrittsfläche (der dritten Fläche S3) der zweiten Linse L2 auf der optischen Achse 8 bis 28 mm, wobei eine Toleranz des Abstandes d2 5% beträgt, und beträgt ein Abstand d4 zwischen der Lichtaustrittsfläche (der vierten Fläche S4) der zweiten Linse L2 und der Lichteintrittsfläche (der fünften Fläche S5) der dritten Linse L3 auf der optischen Achse 107 bis 115 mm, wobei eine Toleranz des Abstandes d4 5% beträgt.

Die vorstehende Lösung wird anhand der folgenden Tabelle verdeutlicht: Tabelle 1: Konfigurationsparameter des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser

L (Linse)	S (Fläche)	R (Krümmungsradius)	d (Abstand zwischen Flächen)	d (Mittendicke)	Material (Nd/Vd)	D (Außendurchmesser)
1	1	∞		2	1,8/25	10
1	2	-29,8	d2	2	1,8/25	10
2	3	7,2	d2	1	1,48/68	3
2	4	1,6	d4	1	1,48/68	3
3	5	∞	d4	4	1,8/25	34
3	6	-100		4	1,8/25	34

Wenn jede Linse gemäß den vorstehenden Konstruktionsparametern konfiguriert ist, kann der einfallende grüne Laserlichtstrahl durch das Strahlaufweitungssystem 2- bis 16-fach vergrößert werden, wobei dieser Aufweitungsbereich weitaus größer ist als der Vergrößerungsbereich eines herkömmlichen Strahlaufweiters, so dass das Aufweitungssystem für eine größere Anzahl von Lasern mit verschiedenen Durchmessern und Divergenzwinkeln geeignet ist und somit der Anwendungsbereich des Aufweitungssystems erweitert und die Effizienz der Laserbearbeitung verbessert wird. Außerdem wird gemäß dem Lagrange-Invarianten-Theorem, wenn der Strahl aufgeweitet wird, sein Divergenzwinkel vermindert, und die maximale Vergrößerung des Systems ist größer als diejenige des herkömmlichen Strahlaufweiters, wodurch auch die Einengungswirkung auf den Lichtstrahldivergenzwinkel besser wird als bei dem durch die herkömmliche Strahlaufweitungslinse aufgeweiteten Lichtstrahl, so dass ermöglicht wird, dass das austretende Licht einen höheren Grad an Parallelität und eine bessere Fokussierungswirkung hat, was für eine nachfolgende Formung und Fokussierung im Verlauf einer Laserbearbeitung nützlich ist, und wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert wird.
Das System ist für einen Laser mit einem Divergenzwinkel von ±2 bis 4 Milliradian geeignet (d.h. der Winkelwert des Divergenzwinkels beträgt 2 bis 4 Milliradian). Ein Eintrittspupillendurchmesserbereich des Lasers beträgt 2 bis 8 mm, und sein Austrittspupillendurchmesserbereich beträgt 4 bis 32 mm, und eine optische Länge kann innerhalb von 140 mm eingestellt werden. Für den grünen Laserlichtstrahl mit einem größten Austrittsdurchmesser von 2 mm kann das Strahlaufweitungssystem den grünen Laserlichtstrahl 2 bis 16-fach aufweiten, für den grünen Laserlichtstrahl mit einem größten Austrittsdurchmesser von 8 mm kann das Strahlaufweitungssystem den grünen Laserlichtstrahl 2 bis 4-fach aufweiten.
2, 3 und 4 zeigen ein Strahlfleckdiagramm, eine MTF-Kennlinie bzw. eine Energiekonzentration des zoombaren Strahlaufweitungssystems für einen grünen Laser. Aus den vorstehend erwähnten Zeichnungen kann entnommen werden, dass das durch das zoombare Strahlaufweitungssystem aufgeweitete austretende Licht besser fokussierbar ist (eine Beugungsscheibe davon ist regelmäßig und ein Beugungsbereich klein, und die Energiekonzentration ist relativ hoch), wodurch eine hohe Effizienz und eine hohe Präzision der Laserbearbeitung gewährleistet werden.
Vorzugsweise werden die Krümmungsradien, die Verhältnisse zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl, die Mittendicken und die Außendurchmesser der ersten, der zweiten und der dritten Linse aus den vorstehenden spezifischen Parametern ausgewählt, d.h., der Krümmungsradius der ersten Fläche S1 beträgt ∞, der Krümmungsradius der zweiten Fläche S2 beträgt -29,8 mm, die Mittendicke d1 beträgt 2 mm, der Außendurchmesser D1 beträgt 10 mm, und das Verhältnis zwischen dem Brechungsindex Nd1 und der Abbe'schen Zahl Vd1 der ersten Linse L1 beträgt 1,8:25. Die zweite Linse L2 und die dritte Linse L3 sind auf ähnliche Weise konfiguriert. Die bevorzugte Lösung kann eine bessere Vergrößerungswirkung bereitstellen und ist insbesondere für grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm geeignet.
Außerdem können auf der Basis der Schlüssellösung oder der bevorzugten Lösung der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse und der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse verschieden sein, um verschiedene Strahlvergrößerungen β zu erhalten. Mehrere spezifische bevorzugte Lösungen werden wie folgt bereitgestellt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 27,8 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 107,4 mm eingestellt, wobei diese Parameter bevorzugte Parameter sind und die Toleranzen der Abstände ähnlicherweise 5% betragen. Damit beträgt die Strahlvergrößerung β des Systems 2.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 25,4 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 111,4 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 4 beträgt.
Gemäß einer dritten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 22,6 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 113 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 6 beträgt.
Gemäß einer vierten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 18,6 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 113,8 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 8 beträgt.
Gemäß einer fünften bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 16 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 114 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 10 beträgt.
Gemäß einer sechsten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 13 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 114,2 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 12 beträgt.
Gemäß einer siebenten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 11 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 114,3 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 14 beträgt.
Gemäß einer achten bevorzugten Lösung ist der Abstand d2 zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 auf einer optischen Achse auf 8 mm eingestellt und ist der Abstand d4 zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 auf einer optischen Achse auf 114,4 mm eingestellt, wobei die Toleranzen der Abstände 5% betragen und die Strahlvergrößerung β des Systems 16 beträgt.
Die vorstehende Lösung wird anhand der folgenden Tabelle verdeutlicht: Tabelle 2: Vergleichstabelle für die Abstände zwischen den Flächen der Linsen und die Strahlvergrößerungen.

d2 (mm) d4 (mm) β

27,8 107,4 2

25,4 111,4 4

22,6 113 6

18,6 113,8 8

16 114 10

13 114,2 12

11 114,3 14

8 114,4 16
Gemäß den vorstehend beschriebenen bevorzugten Lösungen kann eine 2- bis 16-fache Vergrößerung erzielt werden. In einem Lasermarkierungsverfahren können die Abstände zwischen den drei Linsen gemäß einem Austrittspupillendurchmesser und einem Divergenzwinkel des tatsächlichen Lasers eingestellt werden, und spezifische Parameter der Fokussierungslinse, d.h. die Abstände zwischen den Flächen d2 und d4, können derart eingestellt werden, dass eine geeignete Strahlaufweitung des Laserstrahls erzielt werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass der aufgeweitete Laserstrahl eine Laserbearbeitungsgenauigkeitsanforderung erfüllt, und derart, dass sie verschiedenen Laserbearbeitungsfokussierungslinsen angepasst werden können, um eine ideale Kopplung zu erzielen, so dass die Laserbearbeitungsgenauigkeit und die Bearbeitungsqualität verbessert werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser bereitgestellt, durch das eine 2- bis 16-fache Strahlvergrößerung erzielbar ist, und dessen Vergrößerungsbereich weit über denjenigen eines herkömmlichen Strahlaufweiters hinausgeht. Das zoombare Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser kann eine Laserbearbeitungsgenauigkeit und eine Bearbeitungsqualität wesentlich verbessern und hat einen breiteren Anwendungsbereich und kann in einer Vielzahl von Grünlichtlaserbearbeitungsvorrichtungen eingesetzt werden, wobei es als ein Aufweitungssystem der Vorrichtung zum Aufweiten des durch den Laser emittierten Lichtstrahls dient, woraufhin der aufgeweitete Lichtstrahl durch eine Fokussierungslinse auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert wird.
Weil das Aufweitungssystem einen größeren Vergrößerungsbereich hat und hochgradig anpassungsfähig ist, kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, in der das Aufweitungssystem verwendet wird, eine verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit und eine höhere Bearbeitungseffizienz haben.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf Ausführungsformen davon und die besten Techniken zum Implementieren der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, dass innerhalb des durch die Ansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können.

Claims

Zoombares Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser, mit: einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse, die entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind; wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen und die zweite Linse eine Meniskus-Zerstreuungslinse ist, wobei die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche aufweist, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche aufweist und die ersten bis sechsten Flächen entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind, Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen ∞, -29,8 mm, 7,2 mm, 1,6 mm, ∞ bzw. -100 mm betragen, Mittendicken der ersten bis dritten Linsen 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen, Aussendurchmesser der ersten bis dritten Linsen 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen, Verhältnisse zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl der ersten bis dritten Linsen 1,8:25, 1,48:68, bzw. 1,8:25 betragen, ein Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 8 bis 28 mm liegt, ein Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf einer optischen Achse im Bereich von 107 bis 115 mm liegt, und Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl, und des Abstandes 5% betragen.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 27,8 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 107,4 mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 25,4 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 111,4mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 22,6 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 113 mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 18,6 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 113,8 mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 16 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 114 mm beträgt.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 13 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 114,2 mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 11 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 114,3 mm beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche auf der optischen Achse 8 mm beträgt und der Abstand zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche auf der optischen Achse 114,4 mm beträgt.
Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Grünlichtlaser, einem Strahlaufweitungssystem, das dafür konfiguriert ist, einen vom Grünlichtlaser emittierten Laserstrahl aufzuweiten, und mit einer Fokussierungslinse, die dafür konfiguriert ist, den aufgeweiteten Strahl zu fokussieren, wobei das Aufweitungssystem das zoombare Strahlaufweitungssystem für einen grünen Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.