一種激光擴束系統(tǒng)及激光加工設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種激光擴束系統(tǒng)，包括沿激光傳輸方向依次設置的前透鏡組和后透鏡組；前透鏡組包括第一透鏡，后透鏡組包括第二透鏡和第三透鏡，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構(gòu)成伽利略望遠鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；前透鏡組和后透鏡組可相對移動，使激光擴束系統(tǒng)對不同波長的激光進行等倍率擴束。本發(fā)明可實現(xiàn)多波長等倍率擴束，可將其兼容到多種波長的高功率激光系統(tǒng)中，應用范圍廣；并且在本擴束系統(tǒng)兼容的多種波長工作下，輸出光斑均可達到衍射極限，聚焦點能量密度高，加工效率高；且該擴束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便且占用空間小。
【專利說明】一種激光擴束系統(tǒng)及激光加工設備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種激光擴束系統(tǒng)及激光加工設備。

【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。但是在實際應用中，擴束系統(tǒng)是針對一定波長發(fā)揮作用的，即使光束要擴大的倍率是一定的，但由于對應的激光波長不同，使用的擴束系統(tǒng)也是不同的，因此對于既定的激光器擴束系統(tǒng)，其使用率受到較大限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種激光擴束系統(tǒng)，使之能夠兼容到多種波長激光系統(tǒng)中，提高其使用率。
[0004]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種激光擴束系統(tǒng)，包括沿激光傳輸方向依次設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)；所述前透鏡組和后透鏡組可相對移動，使所述激光擴束系統(tǒng)對不同波長的激光進行等倍率擴束。
[0005]應用本發(fā)明提供的激光擴束系統(tǒng)，通過改變前透鏡組和后透鏡組的間距，可以實現(xiàn)多波長等倍率擴束，可將其兼容到多種波長的高功率激光系統(tǒng)中，使用率高，應用范圍廣；并且在本擴束系統(tǒng)兼容的多種波長工作下，輸出光斑均可達到衍射極限，聚焦點能量密度高，加工效率高；且該擴束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便且占用空間小，有利于激光加工系統(tǒng)的小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0007]圖2是本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)的光路圖；
[0008]圖3是本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0009]圖4是本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)的彌散斑圖；
[0010]圖5是本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)的Rayfan(光學系統(tǒng)的綜合誤差)圖。

【具體實施方式】
[0011]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。
[0012]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:
[0013]本發(fā)明實施例提供一種激光擴束系統(tǒng)，用于激光加工設備中，設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，以進一步通過聚焦系統(tǒng)聚焦于工作面上。請參考圖1和圖2，該激光擴束系統(tǒng)包括沿激光傳輸方向依次設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、第二和第三透鏡均采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)。其中，前透鏡組和后透鏡組可相對移動，使二者之間的距離可調(diào)，進而使該擴束系統(tǒng)可以對不同波長的激光進行同倍率的擴束。本實施例中對前透鏡組和后透鏡組的間距調(diào)節(jié)是通過固定第二透鏡和第三透鏡的間距并改變第一透鏡和第二透鏡的間距實現(xiàn)。
[0014]請進一步參閱附圖1，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。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置。其中第一透鏡LI為一雙凹透鏡，第一曲面SI的曲率半徑為-19mm，第二曲面S2的曲率半徑為13mm ;第二透鏡L2為彎月形負透鏡，第三曲面S3的曲率半徑為623mm，第四曲面S4的曲率半徑為56mm ;第三透鏡L3為雙凸正透鏡，第五曲面S5的曲率半徑為61mm，第六曲面S6的曲率半徑為-61mm。上述各曲率半徑的公差為5%。
[0015]進一步地，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1.5mm,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8mm，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)在101?107mm之間可調(diào)，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1.3mm，各距離的公差為5%。
[0016]通過對第二曲面S2和第三曲面S3之間的距離d2進行調(diào)節(jié)，可以對355nm、532nm及1064nm的激光實現(xiàn)等倍擴束。采用材料Nd/Vd = 1.4/67的情況下，當?shù)诙鍿2和第三曲面S3之間的距離d2為1lmm時，可對波長為355nm的激光進行8倍擴束；當?shù)诙鍿2和第三曲面S3之間的距離d2為105mm時，可對波長為532nm的激光進行8倍擴束；當?shù)诙鍿2和第三曲面S3之間的距離d2為107mm時，可對波長為1064nm的激光進行8倍擴束，該擴束系統(tǒng)的入瞳直徑為3.5mm。
[0017]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I和表2。
[0018]表1.激光擴束系統(tǒng)參數(shù)表
[0019]
透鏡L 曲 I曲率半徑R I透鏡厚度d~透鏡間隔d ~?~

(mm)(mm)(mm)Nd/Vd
1-19'.51.4/67
1----
213d2
、362331 4/67
2____
4561.3
56181.4/67
3____
6( I
[0020]表2.前透鏡組與后透鏡組的間距d2和波長λ的對照表
[0021]

波長 λ 355nm 532nm 1064nm
d2 1lmm 1Snini 107mm
[0022]按照上述參數(shù)設計的激光擴束系統(tǒng)，不僅可以可以兼容多波長擴束，還可以保證良好的光束質(zhì)量，保證聚焦點的高能量密度，進而保證激光加工精度和效率。以下通過附圖3?5不意上述激光擴束系統(tǒng)的光學效果,波長分別為355nm、532nm及1064nm。
[0023]參考圖3中的(a)、(b)、(c)圖，其示出了該擴束系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)曲線圖，可見空間頻率在201p/mm時，對應355nm和532nm激光的傳遞函數(shù)達到0.5或以上，對于1064nm的傳遞函數(shù)為0.12或以上，分辨率高，滿足激光加工的要求。進一步參考圖4，圖4中的
(a)、(b)、(c)圖分別示出了 355nm、532nm及1064nm激光聚焦點的彌散圖，當波長為355nm時，彌散斑接近艾里斑；當波長為532nm時，彌散斑小于艾里斑；當波長為1064nm時，彌散斑遠遠小于艾里斑，圖5的(a)、(b)、(c)圖分別示出了 355nm、532nm及1064nm的Rayfan圖，表明該系統(tǒng)分別工作在三種波長下，輸出光斑一致性很好。
[0024]應用本發(fā)明實施例提供的激光擴束系統(tǒng)，通過改變第一透鏡LI與第二透鏡L2的間距d2，可以兼容到多種波長的高功率激光系統(tǒng)中，使同一款擴束系統(tǒng)應用于不同類型的激光器中，使用率高，應用范圍廣；并且在本擴束系統(tǒng)兼容的多種波長工作下，輸出光斑均可達到衍射極限，聚焦點能量密度高，加工效率高；且該擴束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)方便且占用空間小，有利于激光加工系統(tǒng)的小型化。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，包括沿激光傳輸方向依次設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)；所述前透鏡組和后透鏡組可相對移動，使所述激光擴束系統(tǒng)對不同波長的激光進行等倍率擴束。
2.如權(quán)利要求1所述的激光擴束系統(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；所述第一曲面的曲率半徑為-19mm，所述第二曲面的曲率半徑為13mm，所述第三曲面的曲率半徑為623mm,所述第四曲面的曲率半徑為56mm,所述第五曲面的曲率半徑為61mm,所述第六曲面的曲率半徑為-61mm，各曲率半徑的公差為5%。
3.權(quán)利要求2述的激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡的中心厚度為1.5mm，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8mm,各中心厚度的公差為5% ；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%。
4.如權(quán)利要求3所述的激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面和第三曲面之間的距離為1lmm,所述激光的波長為355nm。
5.如權(quán)利要求3所述的激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面和第三曲面之間的距離為105mm,所述激光的波長為532nm。
6.如權(quán)利要求3所述的激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面和第三曲面之間的距離為107mm，所述激光的波長為1064nm。
7.如權(quán)利要求1至6任一項所述的激光擴束系統(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。
8.如權(quán)利要求7所述的激光擴束系統(tǒng)，其特征在于，所述激光擴束系統(tǒng)的擴束倍率為8。
9.一種激光加工設備，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8任一項所述的激光擴束系統(tǒng)。
10.如權(quán)利要求9所述的激光加工設備，其特征在于，所述激光器的輸出波長為355nm、532nm 或 1064nm。
【文檔編號】B23K26/06GK104181694SQ201410459300
【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, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司