專利名稱：：激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的制作方法激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭，特別涉及一種能夠?qū)Ω咚剐图す夤鈭?chǎng)進(jìn)行整形的光學(xué)鏡頭。
背景技術(shù)：
：在激光劃片中，作用于材料的激光的功率密度剛好達(dá)到破壞材料的閾值能量即可。當(dāng)聚焦的光斑作用于材料表面時(shí)，將使材料產(chǎn)生熔化、氣化甚至離子化。如圖1所示，圖1是激光脈沖波形與材料的作用關(guān)系的示意圖'，當(dāng)激光能量處于Ic附近時(shí)，在激光的作用區(qū)內(nèi)通過(guò)產(chǎn)生氣化及等離子來(lái)去除材料。等離子區(qū)將對(duì)激光產(chǎn)生吸收與散射，在材料加工表面產(chǎn)生一層保護(hù)層進(jìn)而防止激光進(jìn)一步與材料作用，這樣得出的劃線邊緣整齊光滑。但如果激光能量遠(yuǎn)大于lc時(shí)，將造成劃片質(zhì)量的下降，例如，產(chǎn)生波紋狀邊緣、使劃線的縫隙變寬以及所產(chǎn)生的熔融材料濺射于切縫邊緣而產(chǎn)生雜質(zhì)區(qū)，并還會(huì)影響到激光的加工效率。如果激光能量太低，例如低于或稍高于Ith時(shí)將產(chǎn)生熔化區(qū)而無(wú)法去除村料,,目前，一般激光束的光場(chǎng)分布多為高斯型分布。如圖2所示，圖2是典型高斯型激光光場(chǎng)光強(qiáng)分布示意圖。在激光加工應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)的高斯型光場(chǎng)可分為E,、E2、￡3三個(gè)部分。其中，能量區(qū)E3能對(duì)材料進(jìn)行有效地加工，而能量區(qū)E,的能量將大于材料的臨界能量值Ie，而使劃線時(shí)切縫邊緣的質(zhì)量下降。同樣地，能量區(qū)E2經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后將作用于縫的邊緣而產(chǎn)生熱熔區(qū)，進(jìn)一步使劃線的質(zhì)量下降。特別在微加工領(lǐng)域，通過(guò)高斯光束劃線出來(lái)的產(chǎn)品將對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生非常大影響。因此，需要將高斯型激光束變?yōu)槿鏓3部分所示的分布均勻的"高帽型"的激光束。此外，"高帽型"激光束還將極大地提高激光的利用率，容易控制光強(qiáng)對(duì)加工深度的影響。目前，許多研究都致力于利用二元光學(xué)元件(BOE)進(jìn)行光束整形，該方法建立在衍射理論和惠更斯-菲涅爾衍射積分公式基礎(chǔ)上，由光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)及精細(xì)微加工、微電子技術(shù)和光刻技術(shù)相互交叉而成。在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)要求輸出的光束結(jié)構(gòu)確定整形器件的復(fù)振幅反射率或復(fù)振幅透過(guò)率調(diào)制函數(shù)，進(jìn)行材料選擇，確定三維結(jié)構(gòu)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行微圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用光刻技術(shù)及微精細(xì)加工制造出二元光學(xué)器件。但由于一些加工技術(shù)條件的限制，例如激光損傷閾值低，目前二元光學(xué)元件還無(wú)法應(yīng)用亍強(qiáng)激光系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)的激光劃片過(guò)程中高斯型激光束中能量的非均勻分布導(dǎo)致劃線質(zhì)量下降的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)的激光劃片過(guò)程中高斯激光束中能量的非均勻分布導(dǎo)致劃線質(zhì)量下降的技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭，其中該光學(xué)鏡頭包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透鏡，第一透鏡為曲面朝向入光側(cè)彎曲的彎月型負(fù)透鏡，第二透鏡為雙凸型正透鏡，第三透鏡為凸平型正透鏡。根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，第一、第二和第三透鏡的光焦度與該光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)光焦度滿足以下公式-4〈f,/fw〈畫(huà)3，1.5<f2/fw<2.0,1.2<f3/fw<2.0，其中f,為第一透鏡的光焦度，f2為第二透鏡的光焦度，f3為第三透鏡的光焦度，f、v為整個(gè)系統(tǒng)的光焦度。通過(guò)采用上述結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，使得高斯分布的激光光場(chǎng)變換為均勻分布的"高帽型"激光光場(chǎng)，使得光透過(guò)率高，激光利用率高。圖l是激光脈沖波形與材料的作用關(guān)系的示意圖；圖2是是典型高斯型激光光場(chǎng)光強(qiáng)分布示意圖；圖3是本發(fā)明激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3所示的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的橫向像差曲線圖；圖5是圖3所示的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的邊界響應(yīng)曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖3所示，圖3是本發(fā)明激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖,，在本發(fā)明中，基于"負(fù)-正-正"分離的光焦度系統(tǒng)設(shè)計(jì)出能夠?qū)⒏咚剐图す夤鈭?chǎng)整形成"高帽型"激光光場(chǎng)的光學(xué)鏡頭。在本實(shí)施例中，該光學(xué)鏡頭一共包括沿入光方向依次排列的三個(gè)透鏡光焦度f(wàn),為負(fù)的第一透鏡L，、光焦度G為正的第二透鏡L2、光焦度f(wàn)3為正的第三透鏡L3。其中，透鏡L,為曲面朝向入光側(cè)的彎月型負(fù)透鏡，透鏡L2為雙凸型正透鏡，透鏡L3為凸平型正透鏡。在優(yōu)選實(shí)施例中，三個(gè)透鏡L,、L2、L3的光焦度與光學(xué)透鏡的系統(tǒng)光焦度應(yīng)滿足以下關(guān)系-4<fl/fw<-31.5<f2/fw<2.01.2<f3/fw<2.0根據(jù)以上要求，本申請(qǐng)進(jìn)一步提供了一個(gè)焦距，50mm，應(yīng)用于355nm紫外激光加工的整形鏡頭的設(shè)計(jì)實(shí)例再次參照?qǐng)D3,透鏡L，分別由曲率半徑為R產(chǎn)-26.36mm、R2=-42.05mm的兩個(gè)曲面S,、S2組成，其光軸上的中心厚度d尸4mm,材料為Nd,:Vd,(折射率/色散系數(shù))=1.46/68;透鏡L2分別由曲率半徑為R3=69.01tnm、R4=-78.69mm的兩個(gè)曲面S3、S4構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d3=4mm,材料為Nd3:Vd3=l.46/68;透鏡L3分別由曲率半徑為R5=40.24mm、1^=0mm的兩個(gè)曲面S5、S6構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d5=4mm,材料為Nd5:Vd5=1.46/68;透鏡L,與透鏡L2在光軸上的間隔為dflmm,透鏡L2與透鏡L3在光軸上的間隔為d4=0.95mm，透鏡L3與成像面(未圖示)在光軸上的間距為46.6mm。具體參數(shù)如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>在本實(shí)施例中，其它設(shè)計(jì)參數(shù)如下fw=50.4mm數(shù)值孔徑D/fw=l:2.5fVfw=-3.23f2/fw=1.55f3/fw=1.68根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以得到圖4和圖5,其中圖4是采用上述設(shè)計(jì)參數(shù)的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的橫向像差曲線圖，圖5是采用上述設(shè)計(jì)參數(shù)的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭的邊界響應(yīng)曲線圖。從圖4可以看出，整個(gè)孔徑中約50%左右的光線分布于邊緣20%左右的范圍；從圖5可以看出，在邊緣的光得到了加強(qiáng)。由此入射為高斯型分布的光場(chǎng)在此焦點(diǎn)位置上進(jìn)行了重新分配，達(dá)到均勻的"高帽型，，分布。從實(shí)際中的使用效果來(lái)看，本實(shí)施方式確實(shí)達(dá)到了預(yù)期的效果。本發(fā)明將直接利用傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，利用光學(xué)系統(tǒng)的像差手段，有意地引入球差，使得高斯光束中間的光分布至聚焦點(diǎn)的邊緣，以降低中間部分的光強(qiáng)，同時(shí)提高邊緣部分的光強(qiáng)，從而使得光場(chǎng)為高斯分布的光束變?yōu)?高帽型"光束分布。在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明所保護(hù)的范圍和精神的情況下，可根據(jù)不同的實(shí)際需要設(shè)計(jì)出各種實(shí)施方式。權(quán)利要求1.一種激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭，其特征在于所述光學(xué)鏡頭包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透鏡，其中所述第一透鏡為曲面朝向入光側(cè)的彎月型負(fù)透鏡，第二透鏡為雙凸型正透鏡，第三透鏡為凸平型正透鏡。2.如權(quán)利要求1所述的激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭，其特征在于所述第一、第二和第三透鏡的光焦度與所述光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)光焦度滿足以下公式-4<f,/fw<-3,1.5<f2/fw<2.0,1.2<f3/fw<2.0，其中f，為所述第一透鏡的光焦度，f2為所述第二透鏡的光焦度，&為所述第三透鏡的光焦度，fw為所述光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)光焦度。全文摘要本發(fā)明涉及一種激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)鏡頭，該光學(xué)鏡頭包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透鏡，其中第一透鏡為曲面朝向入光側(cè)的彎月型負(fù)透鏡，第二透鏡為雙凸型正透鏡，第三透鏡為凸平型正透鏡。此外，各透鏡的光焦度與光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)光焦度滿足-4＜f₁/f_w＜-3，1.5＜f₂/f_w＜2.0，1.2＜f₃/f_w＜2.0，其中f₁為第一透鏡的光焦度，f₂為第二透鏡的光焦度，f₃為第三透鏡的光焦度，f_w為光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)光焦度。通過(guò)采用上述結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)將高斯分布的激光光場(chǎng)變換為均勻分布的“高帽型”激光光場(chǎng)，并且光透過(guò)率高，激光利用率高。文檔編號(hào)G02B9/12GK101236303SQ20071007316公開(kāi)日2008年8月6日申請(qǐng)日期2007年1月30日優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日發(fā)明者周朝明,李家英,高云峰,鮑瑞武申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司