一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的前透鏡組和后透鏡組；前透鏡組包括第一透鏡，后透鏡組包括第二、第三透鏡，第一透鏡為雙凹型或平凹型負透鏡，第二透鏡為彎月型或平凹型負透鏡，第三透鏡為雙凸型或平凸型正透鏡；前透鏡組和后透鏡組共焦；衍射極限激光擴束系統(tǒng)對波長為355nm的激光光束的擴束倍率為5～6倍，輸出光束接近衍射極限。本發(fā)明對各透鏡進行上述設(shè)置，對波長為355nm的激光實現(xiàn)5～6倍擴束，輸出光束接近衍射極限，提高了聚焦光斑的能量密度，并且該擴束系統(tǒng)適合在高功率激光加工設(shè)備使用，極大地提高了焦點處的能量密度，進而提高激光加工精度和加工效率。
【專利說明】一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]激光加工過程中，通常要求激光在聚焦點的能量非常集中，要保證激光聚焦點具有較高的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率。對于同一臺激光器，若要提高激光的聚焦能量密度，就是要獲得盡可能小的聚焦點。根據(jù)衍射極限理論:激光的發(fā)散角Θ與激光束腰直徑w的關(guān)系為θ*￥ = 4λ/π，當使用一定的激光器時，激光的波長λ是一定的，所以，激光的發(fā)散角Θ與激光束腰直徑w的乘積為常數(shù)。為了減小聚焦光斑，通常需要減小光發(fā)散角同時增大激光光束的直徑，從激光器輸出的激光光束直徑一般都比較小，發(fā)散角Θ較大，在通過會聚光學系統(tǒng)聚焦之前，一般會要求擴大光束直徑以減小發(fā)散角Θ。通常在激光器和焦距為f的會聚光學系統(tǒng)中加入激光擴束系統(tǒng)，選擇適當?shù)臄U束倍數(shù)β，使激光光束直徑擴大到D= β*?，激光的發(fā)散角Θ入仍滿足衍射極限理論關(guān)系式Θ入*D =‘λ/π，所以，θ/β，會聚激光光斑的大小σ = Θ入*?.= 4λ?./nD，所以，通過加入一個合適的倍率擴束系統(tǒng)，便可得到理想的聚焦光斑σ以提高工作焦點處的能量密度。但是在實際應(yīng)用中，激光經(jīng)過普通的激光擴束系統(tǒng)，光束質(zhì)量通常都會相應(yīng)的變差，影響最終精密加工的應(yīng)用需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)，旨在使激光通過該系統(tǒng)后，光束質(zhì)量無明顯變化，保證精密加工的應(yīng)用需求，并且可應(yīng)用于高功率激光加工設(shè)備中。
[0004]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的前透鏡組和后透鏡組；所述前透鏡組包括第一透鏡，所述后透鏡組包括第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型或平凹型負透鏡，所述第二透鏡為彎月型或平凹型負透鏡，所述第三透鏡為雙凸型或平凸型正透鏡；所述前透鏡組和后透鏡組共焦構(gòu)成伽利略望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；所述衍射極限激光擴束系統(tǒng)對波長為355nm的激光光束的擴束倍率為5?6倍，輸出光斑達到衍射極限。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種激光加工設(shè)備，包括激光器、擴束系統(tǒng)及聚焦系統(tǒng)，所述擴束系統(tǒng)采用所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，所述激光器的輸出波長為355nm。
[0006]本發(fā)明提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)通過對第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡進行上述設(shè)置，對波長為355nm的激光實現(xiàn)5?6倍擴束，輸出光斑達到衍射極限，提高了聚焦光斑的能量密度，進而提高了激光加工精度及工作效率。并且該擴束系統(tǒng)適合在高功率激光加工設(shè)備使用，利用該擴束系統(tǒng)，可以使得激光聚焦系統(tǒng)得到較大的像方孔徑角，極大地提高了激光聚焦時焦點處的能量密度，進而提高激光加工精度和加工效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明第一實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2是本發(fā)明第一實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的光路圖；
[0009]圖3是本發(fā)明第一實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0010]圖4是本發(fā)明第一實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的彌散斑圖；
[0011]圖5是本發(fā)明第一實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的Rayfan (光學系統(tǒng)的綜合誤差)圖；
[0012]圖6是本發(fā)明第二實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖7是本發(fā)明第二實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0014]圖8是本發(fā)明第二實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的彌散斑圖；
[0015]圖9是本發(fā)明第二實施例提供的衍射極限激光擴束系統(tǒng)的Rayfan圖。
【具體實施方式】
[0016]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0017]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的具體實現(xiàn)進行詳細描述:
[0018]本發(fā)明提供一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)，用于激光加工設(shè)備中，設(shè)置于激光器和聚焦系統(tǒng)之間，對激光光束進行擴束準直處理，以通過聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)接近衍射極限的聚焦效果，提高聚焦點的能量密度。請參考圖1和圖2，該衍射極限激光擴束系統(tǒng)包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的前透鏡組和后透鏡組，前透鏡組包括第一透鏡LI，后透鏡組包括第二透鏡L2和第三透鏡L3。第一、第二和第三透鏡均米用耐高溫光學材料制作。第一透鏡LI為雙凹型或平凹型負透鏡，第二透鏡L2為彎月型或平凹型負透鏡，第三透鏡L3為雙凸型或平凸型正透鏡。前透鏡組和后透鏡組共焦構(gòu)成伽利略望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)對波長為355nm的激光光束進行擴束，擴束倍率可達到5?6倍，輸出光斑達到衍射極限，聚焦點能量密度極高，激光加工精度高，并可用于大功率激光加工設(shè)備。
[0019]以下提供兩個具體的實施例對該擴束系統(tǒng)進行進一步說明。
[0020]實施例一:
[0021]請參閱附圖1和2，衍射極限激光擴束系統(tǒng)包括第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3，三個透鏡的材料均為Nd/Vd = 1.4/67。第一透鏡LI和由第二透鏡L2及第三透鏡L3組成的后透鏡組共焦構(gòu)成伽利略望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第一透鏡LI具有第一曲面SI和第二曲面S2，第二透鏡L2具有第三曲面S3和第四曲面S4，第三透鏡L3具有第五曲面S5和第六曲面S6。第一曲面SI至第六曲面S6沿著激光的傳輸方向依次設(shè)置。第一透鏡LI為雙凹負透鏡，第一曲面SI的曲率半徑為-50mm，第二曲面S2的曲率半徑為8mm ;第二透鏡L2為彎月形負透鏡，第三曲面S3的曲率半徑為91mm，第四曲面S4的曲率半徑為36mm ;第三透鏡L3為雙凸正透鏡，第五曲面S5的曲率半徑為43mm，第六曲面S6的曲率半徑為_43mm，各曲率半徑的公差為5%。
[0022]在上述曲率參數(shù)的基礎(chǔ)上，對各透鏡的厚度和透鏡間距進行如下限制，具體的，第一透鏡LI的中心厚度dl為1mm，第二透鏡L2的中心厚度d3為3mm，第三透鏡L3的中心厚度d5為14mm，各中心厚度的公差為5%。第一透鏡LI和第二透鏡L2的間距d2(第二曲面S2和第三曲面S3之間的距離)為43mm，第二透鏡L2和第三透鏡L3的間距d4(第四曲面S4和第五曲面S5之間的距離)為2.6mm，各距離的公差為5%。通過對各透鏡的表面曲率半徑、透鏡厚度及透鏡間距進行上述設(shè)置后，該擴束系統(tǒng)可對355nm的激光實現(xiàn)5倍擴束，系統(tǒng)的入睛直徑為6mm，并且擴束系統(tǒng)的總長可控制為63mm。
[0023]以下進一步通過表格清晰示出上述各透鏡的規(guī)格參數(shù)，如表1。
[0024]表1.衍射極限激光擴束系統(tǒng)參數(shù)表
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，包括沿激光傳輸方向依次設(shè)置的前透鏡組和后透鏡組；所述前透鏡組包括第一透鏡，所述后透鏡組包括第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型或平凹型負透鏡，所述第二透鏡為彎月型或平凹型負透鏡，所述第三透鏡為雙凸型或平凸型正透鏡；所述前透鏡組和后透鏡組共焦構(gòu)成伽利略望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；所述衍射極限激光擴束系統(tǒng)對波長為355nm的激光光束的擴束倍率為5?6倍，輸出光斑達到衍射極限。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡包括第一曲面和第二曲面，所述第二透鏡包括第三曲面和第四曲面，所述第三透鏡包括第五曲面和第六曲面。
3.如權(quán)利要求2所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一曲面的曲率半徑為-50mm,所述第二曲面的曲率半徑為8mm,所述第三曲面的曲率半徑為91mm,所述第四曲面的曲率半徑為36mm，所述第五曲面的曲率半徑為43mm，所述第六曲面的曲率半徑為-43mm，各曲率半徑的公差為5%。
4.如權(quán)利要求3所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡的中心厚度為1mm，所述第二透鏡的中心厚度為3mm,所述第三透鏡的中心厚度為14mm,各中心厚度的公差為5% ； 所述第二曲面和第三曲面之間的距離為43mm，所述第四曲面和第五曲面之間的距離為2.6mm,各距離的公差為5%。
5.如權(quán)利要求4所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述衍射極限激光擴束系統(tǒng)的倍率為5。
6.如權(quán)利要求2所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一曲面的曲率半徑為所述第二曲面的曲率半徑為7mm，所述第三曲面的曲率半徑為218mm，所述第四曲面的曲率半徑為42mm，所述第五曲面的曲率半徑為47mm，所述第六曲面的曲率半徑為-47mm，各曲率半徑的公差為5%。
7.如權(quán)利要求6所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡的中心厚度為1mm，所述第二透鏡的中心厚度為3mm,所述第三透鏡的中心厚度為13mm,各中心厚度的公差為5% ； 所述第二曲面和第三曲面之間的距離為43mm，所述第四曲面和第五曲面之間的距離為1.3mm，各距離的公差為5%。
8.如權(quán)利要求7所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述衍射極限激光擴束系統(tǒng)的倍率為6。
9.如權(quán)利要求2至8任一項所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡的材料為Nd/Vd = 1.4/67。
10.一種激光加工設(shè)備，包括激光器、擴束系統(tǒng)及聚焦系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束系統(tǒng)采用權(quán)利要求1至9任一項所述的衍射極限激光擴束系統(tǒng)，所述激光器的輸出波長為355nm。
【文檔編號】G02B27/09GK104181693SQ201410455550
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】施宏艷, 周朝明, 彭金明, 李珊, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司