一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光加工領(lǐng)域，提供了一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，包括第一、二、三透鏡；第一、三透鏡為平凸正透鏡，第二透鏡為凸凹負(fù)透鏡；第一、二、三透鏡分別包括第一、二曲面，第三、四曲面及第五、六曲面；第一至六曲面的曲率半徑為∞，-27，10，1.7，∞，-103；第一至三透鏡的中心厚度為2，1，4；第一第三透鏡的外徑為10，3，34；第一至三透鏡的折射率與阿貝數(shù)的比例為1.8：25，1.48：68，1.8：25；第二、三曲面的間距為10~27；第四、五曲面的間距為119~125，單位為mm，公差為5%。該系統(tǒng)可將入射光擴(kuò)束2~16倍，可適應(yīng)不同出射直徑及發(fā)散角的激光器，提高了激光加工的效率及精度。
【專利說(shuō)明】一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)及激光加工設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在激光加工領(lǐng)域，激光束的出光直徑O都很小(約為1mm)，若直接聚焦如此細(xì)的光束，其瑞利斑就會(huì)很大。根據(jù)瑞利斑公式:S =2.44 X f/D，其中，5為瑞利斑的直徑，D為聚焦鏡的入瞳直徑，f?為焦距?？梢?jiàn):D越小，8越大，其聚焦點(diǎn)的能量越弱，這樣會(huì)大大降低系統(tǒng)的加工精度。因此，用于激光加工的光學(xué)系統(tǒng)一般都要配用擴(kuò)束鏡，將出自激光器的細(xì)光束進(jìn)行擴(kuò)束，然后再供激光加工聚焦鏡進(jìn)行聚焦。
[0003]根據(jù)拉氏不變量(Iagrange)定理:J=nD 0 =n/ D' 0 ',其中:n和n'分別表示光學(xué)系統(tǒng)的物方和像方介質(zhì)的折射率，當(dāng)物方和像方介質(zhì)均為空氣時(shí)，n=n' =1;D和D'分別表不光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑和出瞳直徑；Q和9'表不入射光和出射光的視場(chǎng)角，當(dāng)視場(chǎng)角很小時(shí)，可以用弧度來(lái)表示。由上式可見(jiàn)，當(dāng)0較大時(shí)，可通過(guò)擴(kuò)束鏡將光束放大P=D/D'倍，以用于激光加工。
[0004]在激光加工時(shí)，許多加工對(duì)象所適用的激光波長(zhǎng)\是不同的，如A =1064nm ；入=532nm ； A =266nm 等，因此便出現(xiàn)了適應(yīng)不同波長(zhǎng)的激光器的各種光學(xué)擴(kuò)束鏡，同時(shí)要求光學(xué)擴(kuò)束鏡的使用范圍越大越好，即同一擴(kuò)束鏡可以配合不同的應(yīng)用環(huán)境，如不同的激光器出瞳直徑、發(fā)散角等，另外也要求其能夠配合不同的激光加工聚焦鏡達(dá)到理想的耦合。因此，變倍擴(kuò)束鏡便成為激光加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前常用的可變倍率的擴(kuò)束鏡多為2X~8X，變倍數(shù)值小，不能很好的滿足激光加工的需要。在要求大倍率擴(kuò)束時(shí)，只好使用定倍擴(kuò)束鏡，無(wú)法通過(guò)一個(gè)擴(kuò)束鏡實(shí)現(xiàn)多種倍率擴(kuò)束要求，為激光加工帶來(lái)了不便，影響了激光加工的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有擴(kuò)束鏡擴(kuò)束能力有限，適應(yīng)范圍小的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，包括沿入射光線的傳輸方向依次共軸設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡；所述第一透鏡和第三透鏡均為平凸型正透鏡，所述第二透鏡為凸凹型負(fù)透鏡；
[0007]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；所述第一至第六曲面沿入射光線的傳輸方向依次排布；
[0008]所述第一至第六曲面的曲率半徑依次為
[0009]所述第一至第三透鏡的中心厚度依次為:2mm, lmm,4mm ;
[0010]所述第一至第三透鏡的外徑依次為:10mm, 3mm, 34mm ;[0011]所述第一至第三透鏡的折射率與阿貝數(shù)的比例依次為:1.8:25,1.48:68,1.8:25 ；
[0012]所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為l(T27mm;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為119?125mm。
[0013]各所述曲率半徑、中心厚度、外徑、折射率與阿貝數(shù)的比例以及各所述間距的公差均為5%。
[0014]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、用于對(duì)所述激光器發(fā)出的激光進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束系統(tǒng)，以及用于將經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的光束進(jìn)行聚焦的聚焦鏡，所述擴(kuò)束系統(tǒng)采用所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)。
[0015]本發(fā)明通過(guò)對(duì)該擴(kuò)束系統(tǒng)的各透鏡進(jìn)行上述設(shè)計(jì)后，使該系統(tǒng)可以將入射的紅外激光光束擴(kuò)大為原來(lái)的疒16倍，其擴(kuò)束范圍極大的超過(guò)了傳統(tǒng)的擴(kuò)束鏡，可適應(yīng)更多不同出射直徑及發(fā)散角的激光器，進(jìn)而擴(kuò)大了該擴(kuò)束系統(tǒng)的使用范圍，提高了激光加工的效率。并且，該系統(tǒng)的最大擴(kuò)束倍數(shù)高于傳統(tǒng)擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)，使得光束的整形效果更好，進(jìn)而有效改善了光束的聚焦效果，有利于提高激光加工的精度。
[0016]由于該擴(kuò)束系統(tǒng)具有較大的變倍范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)，使采用該擴(kuò)束系統(tǒng)的激光加工設(shè)備具有更高的加工精度及更高的加工效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的聚焦點(diǎn)彌散圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施例紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的能量集中度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0023]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，為了便于說(shuō)明，僅不出了與本實(shí)施例相關(guān)的部分。
[0024]該紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)主要適用于紅外光，特別是1064nm的紅外光。如圖1，該系統(tǒng)包括沿入射光線的傳輸方向共軸設(shè)置的第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3。第一透鏡LI為平凸型正透鏡，第二透鏡L2為凸凹型負(fù)透鏡，第三透鏡L3為平凸型正透鏡。其中，第一透鏡LI包括沿著入射光線的傳輸方向排布的第一曲面SI和第二曲面S2,即第一曲面SI和第二曲面S2分別作為光入射面和光出射面。同樣的，第二透鏡L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透鏡L3包括第五曲面S5和第六曲面S6。入射光線沿著第一曲面SI向第六曲面S6的方向傳輸,經(jīng)過(guò)整個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)后得以擴(kuò)束放大。
[0025]在該系統(tǒng)中，第一透鏡LI的第一曲面SI為平面，曲率半徑為①，第二曲面S2相對(duì)于第一曲面SI向外凸出，曲率半徑為-27_，其中，負(fù)號(hào)表示曲面的球心位于曲面的物方空間，正號(hào)(本實(shí)施例中不帶有負(fù)號(hào)標(biāo)記的即為正)表示曲面的球心位于曲面的像方空間，以下同理。另外，第一透鏡LI的中心厚度dl (即第一透鏡LI在光軸上的厚度)為2mm，外徑Dl為10mm。第一透鏡LI的折射率Ndl與阿貝數(shù)Vdl的比例為1.8:25。上述各參數(shù)并非唯一選擇，均存在5%的公差范圍，即允許各參數(shù)在±5%范圍內(nèi)變化。
[0026]第二透鏡L2的第三曲面S3向物方凸出，曲率半徑為10mm，第四曲面S4同樣向物方凸出，但相對(duì)于第三曲面S3內(nèi)凹，曲率半徑為1.7mm，第二透鏡L2的折射率Nd3與阿貝數(shù)Vd3的比例為1.48:68，且第二透鏡L2的中心厚度d3為1_，外徑D2為3_。第二透鏡L2的各參數(shù)的公差范圍仍為5%。
[0027]第三透鏡L3的第五曲面S5為平面，曲率為⑴，第六曲面S6相對(duì)第五曲面S5向外凸出，曲率半徑為-103mm，第三透鏡L3的折射率Nd5與阿貝數(shù)Vd5的比例為1.8:25，中心厚度d5為4mm，外徑D3為34mm。第三透鏡L3的各參數(shù)的公差范圍同為5%。
[0028]并且，本發(fā)明對(duì)第一透鏡LI和第二透鏡L2之間的距離，以及第二透鏡L2與第三透鏡L3之間的距離進(jìn)行了限定，具體的，第一透鏡LI的出射面(第二曲面S2)與第二透鏡L2的入射面(第三曲面S3)在光軸上的間距d2為l(T27mm，公差為5%，第二透鏡L2的出射面(第四曲面S4)與第三透鏡L3的入射面(第五曲面S5)在光軸上的間距d4為119~125mm，公差為5%。
[0029]以下通過(guò)表格對(duì)上述方案進(jìn)行更加清晰的說(shuō)明:
[0030]表1紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，包括沿入射光線的傳輸方向依次共軸設(shè)置的第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡；所述第一透鏡和第三透鏡均為平凸型正透鏡，所述第二透鏡為凸凹型負(fù)透鏡； 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；所述第一至第六曲面沿入射光線的傳輸方向依次排布； 所述第一至第六曲面的曲率半徑依次為:°°，-27mm, 10mm, 1.7mm, 00, -103mm ； 所述第一至第三透鏡的中心厚度依次為:2mm, lmm, 4mm ； 所述第一至第三透鏡的外徑依次為:10mm, 3mm, 34mm ； 所述第一至第三透鏡的折射率與阿貝數(shù)的比例依次為:1.8:25,1.48:68,1.8:25 ； 所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為l(T27mm;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為119?125mm。 各所述曲率半徑、中心厚度、外徑、折射率與阿貝數(shù)的比例以及各所述間距的公差范圍均為5%。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為26.6mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為119mm。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為24.8mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為122.lmm。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為22.4mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為123.3mm。
5.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為20mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為123.9mm。
6.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為17.6mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為124.2mm。
7.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為15.2mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為124.4mm。
8.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為12.8mm;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為124.6mm。
9.如權(quán)利要求1所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二曲面與第三曲面在光軸上的間距為10.4mm ;所述第四曲面與第五曲面在光軸上的間距為124.7mm。
10.一種激光加工設(shè)備，包括激光器、用于對(duì)所述激光器發(fā)出的激光進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束系統(tǒng)，以及用于將經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的光束進(jìn)行聚焦的聚焦鏡，其特征在于，所述擴(kuò)束系統(tǒng)采用權(quán)利要求1、任一項(xiàng)所述的紅外激光變倍擴(kuò)束系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK103576316SQ201210248588
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】李家英, 周朝明, 孫博, 陳玉慶, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司