TWI569912B - 雷射聚焦光學模組及雷射聚焦方法 - Google Patents

雷射聚焦光學模組及雷射聚焦方法 Download PDF

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雷射聚焦光學模組及雷射聚焦方法
本發明係關於一種雷射聚焦光學模組及雷射聚焦方法，更精確的，係關於一種可在高功率下將近紅外線光纖雷射的光斑尺寸縮小，且具有總輸出功率損耗低及長工作距離等優點之雷射聚焦光學模組。
一般來說，雷射的種類隨著發光物質選擇之不同而有所差異，而不同種類的雷射光所產生之功率及特性，使其能夠應用於不同用途上，以目前而言，醫界及業界均已廣泛應用雷射，其中就工業界而言，雷射應用的範圍主要包括切割、鑽孔、加工、銲接及硬面處理等等。
而目前傳統光學聚焦鏡頭設計，雷射的光斑尺寸所能縮小的程度受限，總輸出功率損耗常會過高，同時雷射工作距離無法隨使用者喜好進行調整。一般光纖雷射所輸出的光斑大小會隨成像的距離增加而發散，且高功率近紅外線光纖雷射無法直接輸出較小之光斑。
因此，亟需一種能將雷射的光斑尺寸大幅縮小，同時亦能夠維持原本的高功率，並且具有能便於調整的雷射工作距離的雷射聚焦光學模組設計。
為了解決上述問題，本發明一種可在高功率下將近紅外線光纖雷射的光斑尺寸縮小，且具有總輸出功率損耗低及長工作距離等優點之雷射聚焦光學模組。
根據本發明之一態樣，提供一種雷射聚焦光學模組，從一入光端至一出光端之一光軸上依序包含可調焦距轉接筒、擴束器及平凸透鏡。可調焦距轉接筒依序包含轉接頭及非球面鏡，其中轉接頭係連接於用於輸出雷射光束之一光纖，且轉接頭在可調焦距轉接筒中係為可沿一光軸位移的，使光纖之雷射光束之一輸出點對應於非球面鏡之一焦點，光纖之雷射光束通過非球面鏡而成一平行準直雷射光束。擴束器係設置於非球面鏡及出光端之間，且將經過非球面鏡出射之平行準直雷射光束擴束。平凸透鏡係設置於出光端，將從擴束器出射之經擴束之平行準直雷射光束聚焦並輸出出光端。
較佳的，擴束器可為4倍擴束鏡。
較佳的，光纖輸出之雷射光束可為近紅外光，且輸出鏡筒之雷射光束之功率損耗可為光纖輸出之雷射光束之6%~10%。
較佳的，光纖輸出之雷射光束之光斑可為輸出鏡筒之雷射光束之光斑之至少8倍。
較佳的，雷射聚焦光學模組之工作距離可在約100mm至約150mm之範圍內。
根據本發明的另一態樣，提供一種雷射聚焦方法，方法包含：在入光端沿光軸設置可調焦距轉接筒，其依序包含轉接頭及非球面鏡，其中轉接頭係連接於用於輸出雷射光束之光纖，使光纖提供之雷射光束通過轉接頭，且 轉接頭在可調焦距轉接筒中係為可沿光軸位移的；調整轉接頭使雷射光束從非球面鏡之焦點處向非球面鏡輸出而成平行準直雷射光束；提供擴束器，係設置於非球面鏡及出光端之間；使平行準直雷射光束通過擴束器以將平行準直雷射光束擴束；提供平凸透鏡，係設置於出光端；將從擴束器出射之經擴束之平行準直雷射光束通過平凸透鏡聚焦並輸出出光端。
較佳的，雷射聚焦方法中之擴束器可為一4倍擴束鏡。
較佳的，雷射聚焦方法中之光纖輸出之雷射光束可為一近紅外光，且在輸出鏡筒之雷射光束之功率損耗可為光纖輸出之雷射光束之6%~10%。
較佳的，雷射聚焦方法中之光纖輸出之雷射光束之光斑可為輸出鏡筒之雷射光束之光斑之至少8倍。
較佳的，雷射聚焦方法之工作距離可在約100mm至約150mm之範圍內。
10‧‧‧光纖
100‧‧‧雷射光束
100a、100b‧‧‧平行準直光束
100c‧‧‧聚焦雷射光束
110‧‧‧鏡筒
120‧‧‧可調焦距轉接筒
121‧‧‧轉接頭
122‧‧‧非球面鏡
130‧‧‧擴束器
140‧‧‧平凸透鏡
R1、D2、D3、D4‧‧‧外徑
L1、L2、L3、L4‧‧‧長度
P2、Tc、Te‧‧‧厚度
EFL1、EFL2‧‧‧有效焦距
WD‧‧‧工作距離
R‧‧‧曲率半徑
第1圖係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的示意圖。
第2圖係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的光纖雷射轉接頭透視圖。
第3圖係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的非球面鏡剖視圖。
第4圖係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的4倍光束擴束鏡剖視圖。
第5圖係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的平凸透鏡剖視圖。
第6圖係為根據本發明的雷射聚焦方法的流程圖。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：
請參閱第1圖所示，該圖係為本發明之雷射聚焦光學模組第一實施例示意圖。在本實施例中，該雷射聚焦光學模組1從入光端至出光端依序包含光纖10、一可調焦距轉接筒120、一擴束器130以及一平凸透鏡140，出光端即位於平凸透鏡140末端。光纖10提供一雷射光束100。在本實施例中，光纖10所產生之雷射光束100，其可調變波長範圍為780-1100nm，為近紅外光範圍，且光纖10之數值孔徑NA(Numerical aperture)為0.22。此外，在一實施例中，光纖10所產生之雷射光束，其光束直徑大小為400μm，波長為808nm。
可調焦距轉接筒120包含轉接頭121及非球面鏡122。請參考第2圖及第3圖，係分別為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的光纖雷射轉接頭透視圖及非球面鏡剖視圖。光纖10連接於轉接頭121之入光端，雷射光束100通過轉接頭121從其一端輸出。該可調焦距轉接筒120可用來在光軸上調整轉接頭121的位置，使該雷射光束100從轉接頭121一端之輸出點對應於非球面鏡122之焦點。其用意在於將通過該非球面鏡122之雷射光束100轉變為一平行準直光束100a。通過該非球面鏡122的平行準直光束100a再被擴束器130所接收。要 說明的是，此處所使用之轉接頭121為Newport公司生產製造之型號77670的Ferrule Converter，其外徑R1為約11mm，長度L1及長度L2分別為約10mm及約6.3mm。而非球面鏡122為Newport公司生產製造之型號KGA220-B-MT的Mounted Molded Glass Aspheric Lens，其外徑D3為約9.24mm，有效入光內徑D2為約5.75mm，有效焦距EFL1則為約11mm。而工作距離WD係為約7.96mm，故平行準直光束100a之光束直徑可藉由下列方程式1計算：方程式1：光束直徑=2*EFL1*NA=2*11*0.22=4.84mm
該擴束器130則將該平行準直光束100a進一步擴束形成較大的平行準直光束100b。要說明的是，擴束器130係為能夠改變雷射光束直徑以及發散角的光學元件，通過擴束器130的調節，使所輸出之平行準直光束100b能利用之後的平凸透鏡140獲得細小的高功率密度光斑，此外，較佳的，若擴束器130配合空間率光片使用可使非對稱光束分佈調節為對稱光束分佈，而使光能量分佈更加均勻。參考第4圖，係為根據本發明的雷射聚焦光學模組的例示性實施例示出的擴束器之剖視圖。此處，擴束器130使用Newport公司所製造型號HB-4XAR.16的4倍高功率雷射擴束鏡(High-Energy Laser Beam Expander)，其中如第4圖中所示，長度L4約為127.0mm，而擴束器130之出光端之外徑D4係為約44.5mm。較大的平行準直光束100b的光束直徑可藉由方程式1之光束直徑以及以下方程式2計算：方程式2：光束直徑(mm)=4.84 *4=19.36mm
通過擴束器130之後，平凸透鏡140接收來自擴束器130擴束之較大的平行準直光束100b，並且將該平行準直光束100b進一步的聚焦在平凸透鏡140上而成一聚焦雷射光束100c。如第5圖所示，係為根據本發明的雷射聚焦光 學模組的例示性實施例示出的平凸透鏡剖視圖。此處，平凸透鏡140使用Newport公司所製造型號SPX022AR.16之平凸透鏡(Plano-Convex Lens)，其有效焦距EFL2係為約100mm，曲率半徑R係為約45.90mm，厚度P2為約3.28mm，厚度Tc及厚度Te分別為約3mm及1mm。聚焦雷射光束100c的光束直徑可藉由方程式2計算出之光束直徑以及以下方程式3計算：方程式3：光束直徑(μm)=4/π * λ * EFL2/光束直徑=4/π * 808 * 10-9 * 1.2 * 100/19.36mm=6.377μm
此外，在上述條件下，用於材料加工或改質的聚焦雷射光束100c之景深範圍DOF(Depth of Field,DOF)可由以下方程式4計算：方程式4：DOF=8/π * λ *(EFL2/光束直徑)*2 * 106=8/π * 808 * 10-9 *(100/19.36)*2 * 106=54.9μm
於此，由上述結果可知，實際輸出光斑規格為6.377μm，只要藉由改變平凸透鏡140之有效焦距EFL2，即可改變聚焦雷射光束100c的景深範圍DOF。因此，可藉此提升雷射聚焦光學模組1之工作距離(working distance)。在另一較佳實施例中，若平凸透鏡140之有效焦距EFL2改變為約150mm，即可得到較大之聚焦光束的景深範圍DOF以及另一聚焦雷射光束100c之光束直徑，如下所計算：方程式3：光束直徑(μm)=4/π * λ * EFL2/光束直徑=4/π * 808 * 10-9 * 1.2 * 150/19.36mm=9.57μm
方程式4：DOF=8/π * λ *(EFL2/光束直徑)*2 * 106=8/π * 808 * 10-9 *(100/19.36)*2 * 150=123.52μm
此外，經由實際量測，光纖10直接輸出之雷射光束100之功率為32.69W，經過雷射聚焦光學模組1後的出光功率為30.52W，整體輸出光功率損耗約為2.17W(約6%)，即可在維持高功率之情況下，將光纖10之聚焦雷射光束100c輸出之400μm光斑縮小8倍為50μm以下(~20μm)，且可達到100至150mm的工作距離。此處，雷射聚焦光學模組之工作距離僅用於舉例，工作距離可以藉由更換透鏡改變，以達成更長焦距，並不限於上述100至150mm之範圍內。
第6圖係為根據本發明的雷射聚焦方法的流程圖。
現將參考第6圖說明本發明的雷射聚焦方法。首先，在入光端沿光軸設置可調焦距轉接筒，可調焦距轉接筒依序包含轉接頭及非球面鏡(步驟S61)，調整轉接頭使雷射光束從非球面鏡之焦點處向該非球面鏡輸出，而成一平行準直雷射光束(步驟S62)，可調焦距轉接筒可用來在光軸上調整轉接頭的位置，使該雷射光束從轉接頭一端之輸出點對應於非球面鏡之焦點。其用意在於將通過該非球面鏡122之雷射光束100轉變為一平行準直光束100a。通過該非球面鏡122的平行準直光束100a再被擴束器130所接收。
再者，提供設置於非球面鏡及出光端之間之擴束器(步驟S63)，使平行準直雷射光束通過擴束器以將平行準直雷射光束擴束(步驟S64)，擴束器將該平行準直光束進一步擴束形成較大的平行準直光束，擴束器130能夠改變雷射光束直徑以及發散角，通過擴束器的調節，使平行準直光束能利用之後的平凸透鏡獲得細小的高功率密度光斑。下一步，提供設置於該出光端之一平凸透鏡(步驟S65)，最後將從擴束器出射之經擴束的平行準直雷射光束通過平凸透鏡聚焦，並輸出該出光端(步驟S66)。在雷射光束通過擴束器之後，平凸透鏡接收來自擴束器擴束之較大的平行準直光束，並且將平行準直光束進一步的聚 焦在平凸透鏡之焦點上而成一聚焦雷射光束。上述步驟中，轉接器、非球面鏡、擴束器及平凸透鏡之規格皆如上所述，故不在此贅述。
綜上所述，本發明的雷射聚焦光學模組及雷射聚焦方法能將雷射的光斑尺寸大幅縮小，同時亦能夠維持原本的高功率，並且具有能便於調整的雷射工作距離的雷射聚焦光學模組設計。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
10‧‧‧光纖
100‧‧‧雷射光束
100a、100b‧‧‧平行準直光束
100c‧‧‧聚焦雷射光束
110‧‧‧鏡筒
120‧‧‧可調焦距轉接筒
121‧‧‧轉接頭
122‧‧‧非球面鏡
130‧‧‧擴束器
140‧‧‧平凸透鏡
EFL1、EFL2‧‧‧有效焦距

Claims (10)

  1. 一種雷射聚焦光學模組，從一入光端至一出光端之一光軸上依序包含：一可調焦距轉接筒，其依序包含一轉接頭及一非球面鏡，其中該轉接頭係連接於用於輸出雷射光束之一光纖，且該轉接頭在可調焦距轉接筒中係為可沿該光軸位移的，使該光纖之雷射光束之一輸出點對應於該非球面鏡之一焦點，該光纖之雷射光束通過該非球面鏡而成一平行準直雷射光束；一擴束器，係設置於該非球面鏡及該出光端之間，且將經過該非球面鏡出射之該平行準直雷射光束擴束；以及一平凸透鏡，係設置於該出光端，將從該擴束器出射之經擴束之該平行準直雷射光束聚焦並輸出該出光端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射聚焦光學模組，其中該擴束器係為一4倍擴束鏡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射聚焦光學模組，其中該光纖輸出之該雷射光束係為一近紅外光，且輸出該鏡筒之該雷射光束之功率損耗係為該光纖輸出之該雷射光束之6%~10%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射聚焦光學模組，其中該光纖輸出之該雷射光束之光斑係為輸出該鏡筒之該雷射光束之光斑之至少8倍。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射聚焦光學模組，其中該雷射聚焦光學模組之工作距離約在100mm至150mm之範圍內。
  6. 一種雷射聚焦方法，該方法包含： 在一入光端沿一光軸設置一可調焦距轉接筒，其依序包含一轉接頭及一非球面鏡，其中該轉接頭係連接於用於輸出雷射光束之一光纖，使該光纖提供之該雷射光束通過該轉接頭，且該轉接頭在可調焦距轉接筒中係為可沿該光軸位移的；調整該轉接頭使該雷射光束從該非球面鏡之一焦點處向該非球面鏡輸出而成一平行準直雷射光束；提供一擴束器，係設置於該非球面鏡及該出光端之間；使該平行準直雷射光束通過該擴束器以將該平行準直雷射光束擴束；提供一平凸透鏡，係設置於該出光端；以及將從該擴束器出射之經擴束之該平行準直雷射光束通過該平凸透鏡聚焦並輸出該出光端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雷射聚焦方法，其中該擴束器係為一4倍擴束鏡。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之雷射聚焦方法，其中該光纖輸出之該雷射光束係為一近紅外光，且在輸出該鏡筒之該雷射光束之功率損耗係為該光纖輸出之該雷射光束之6%~10%。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之雷射聚焦方法，其中該光纖輸出之該雷射光束之光斑係為輸出該鏡筒之該雷射光束之光斑之至少8倍。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之雷射聚焦方法，其中該雷射聚焦方法之工作距離約在100mm至150mm之範圍內。
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