專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光擴(kuò)束系統(tǒng)的制作方法
一種激光擴(kuò)束系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于紫外激光的定倍擴(kuò)束系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光加工過(guò)程中，通常要求激光在聚焦點(diǎn)的能量非常集中，保證激光加工過(guò)程聚 焦點(diǎn)的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率，但如何在工作時(shí)提高激光 的聚焦能量密度呢？ 一般是通過(guò)盡可能獲得小的聚焦點(diǎn)。
4義 根據(jù)衍射極限理論激光的發(fā)散角9與光腰直徑d。的關(guān)系為(9J。=—，其中對(duì)
于使用一定的激光器，激光的波長(zhǎng)a是一定的，所以，激光的發(fā)散角e與光腰直徑d。的乘 積為常數(shù)。從激光器輸出的激光光束直徑一般較小，在通過(guò)一定焦距的會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)聚焦 之前，要求擴(kuò)大光束直徑以減小發(fā)散角e ，同時(shí)獲得較大的入射光束直徑。
假設(shè)在激光器與焦距為f的會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)中加入一個(gè)激光擴(kuò)束系統(tǒng)，根據(jù)要求選 用適當(dāng)?shù)臄U(kuò)束倍數(shù)P，使激光光束擴(kuò)大到直徑為D二 e ，d。，此時(shí)激光的發(fā)散角e入仍滿(mǎn)足
衍射極限理論關(guān)系式^入 D = ^ d。 = M，所以，e人=4 = ^ 。這樣，理想的會(huì)聚激光光斑
4義-/"
^ = ^^/ = ^f 。所以，通過(guò)選用合適的倍數(shù)P獲得合適的D值，便可得到理想的聚焦光 斑S以提高工作焦點(diǎn)處的能量密度。 本發(fā)明的定倍擴(kuò)束系統(tǒng)，主要是為了解決紫外激光束的整形及擴(kuò)大激光束直徑以 提高成像質(zhì)量的需要。這種定倍擴(kuò)束鏡設(shè)計(jì)雖然相對(duì)容易一些，但對(duì)激光束整形的能力卻 非常方便有效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可將入射激光束的直徑擴(kuò)束至22倍、以提高成像質(zhì)量、且擴(kuò)束后 像質(zhì)平衡得非常理想的激光擴(kuò)束系統(tǒng)。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種激光擴(kuò)束系統(tǒng)，包括位于光束的入射方向依序 排列的第一、二、三透鏡，所述第一透鏡為彎月型的負(fù)透鏡，其曲面背向著光線的入射方向 彎曲；所述第二透鏡為彎月型的正透鏡，其曲面背向著光線的入射方向彎曲；所述第三透 鏡為平凸型的正透鏡；該激光擴(kuò)束系統(tǒng)可將入射激光束的直徑擴(kuò)束22倍后、仍是一束平行 光射出。 其中，所述第一透鏡與第二透鏡在光軸上的間距為140mm，且其公差范圍為 ±5%。 其中，所述該激光擴(kuò)束系統(tǒng)允許通過(guò)的入射激光束的最大光束直徑為4mm。
其中，所述入射激光為波長(zhǎng)為355nm的紫外激光。 其中，所述第一透鏡在光軸上的中心厚度為lmm，且其公差范圍為±5%。
其中，所述第二透鏡在光軸上的中心厚度為2mm，且其公差范圍為±5%。
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其中，所述第二透鏡與第三透鏡在光軸上的間距為1.5mm，且其公差范圍為
±5%。 其中，所述第三透鏡在光軸上的中心厚度為3mm，且其公差范圍為±5%。 本激光擴(kuò)束系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置以"負(fù)_正_正"依序排列的三片透鏡，由于負(fù)的第一
透鏡的焦距較短，且由于整個(gè)激光擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束倍率較大，故，需要用兩片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)
束出射光束質(zhì)量，這樣，既保證了整形的需要，還能使它達(dá)到最好成像質(zhì)量，而且保證它的
外形尺寸也是最小，本擴(kuò)束系統(tǒng)的像質(zhì)也平衡得非常理想，整個(gè)鏡頭體積也非常小。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明激光擴(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的彌散斑圖； 圖3為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的球差圖； 圖4為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖。
具體實(shí)施方式

隨著激光加工的迅速發(fā)展，光學(xué)擴(kuò)束鏡在激光加工光學(xué)系統(tǒng)中，占有相當(dāng)重要的 地位。由于用于激光加工的激光束有發(fā)散角，所以要用光學(xué)擴(kuò)束鏡來(lái)調(diào)整激光束的不規(guī)整， 可使得激光聚焦系統(tǒng)得到較大的像方孔徑角，提高激光聚焦時(shí)焦點(diǎn)處的能量密度，從而提 高激光的加工作用與效率。 根據(jù)拉氏不變量(Lagrange)定理能量J = nD e = n' D' 9'，其中，n和n' 表示光學(xué)系統(tǒng)在介質(zhì)中的折射率，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，n = n' 二1;D和D'表示光學(xué)系統(tǒng)的 入瞳直徑和出瞳直徑；9和9'表示光學(xué)系統(tǒng)的入射光的視場(chǎng)角和出射光的視場(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)出射的激光束有發(fā)散角時(shí)，S卩9較大時(shí)，通過(guò)擴(kuò)束鏡由D —D'，即
放大倍數(shù)P =D' /D倍，都可使激光束的發(fā)散角縮小13倍，從而達(dá)到整形激光束的目的。 另一方面， 一般的激光束出光直徑都很小(約①=lmm左右)，為此，要直接聚焦
這么細(xì)的光束，其瑞利斑就很大，據(jù)瑞利斑公式瑞利斑直徑S =2.44Af/D。 可見(jiàn)，入瞳直徑D越小，直徑S就越大，就會(huì)大大地降低聚焦鏡頭的精度。 鑒于以上兩個(gè)基本要求，激光加工的光學(xué)系統(tǒng)一般都要配用擴(kuò)束鏡。除此外，有的
擴(kuò)束鏡能夠可以單獨(dú)與聚焦鏡或f-e鏡頭匹配使用，有些還必須與配合使用的光學(xué)系統(tǒng)
聯(lián)系在一起考慮像差的平衡，才能得到理想的結(jié)果。 本發(fā)明公開(kāi)的就是一種紫外激光應(yīng)用定倍擴(kuò)束系統(tǒng)。 如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)的紫外激光應(yīng)用定倍擴(kuò)束系統(tǒng)，包括根據(jù)光線的入射光 線方向依次排序?yàn)槿齻€(gè)透鏡，分別第一透鏡Ll、第二透鏡L2、及第三透鏡L3。該三個(gè)透鏡 L1、L2、L3采用光焦度分配形式為"負(fù)_正_正"的組合，負(fù)透鏡的焦距較短，對(duì)像差影響不 大，而正透鏡是決定擴(kuò)束鏡出射光束質(zhì)量的主要承擔(dān)者。 所述第一、第二透鏡L1、L2都為彎月型透鏡，且曲面均背向著光線入射方向彎曲； 透鏡L3為平凸型透鏡。
它們的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)為透鏡LI分別由曲率半徑為R1、R2的兩個(gè)曲面S1、S2構(gòu) 成，其光軸上的中心厚度dl，材料為Ndl:Vdl ;透鏡L2分別由曲率半徑為R3、R4的兩個(gè)曲面 S3、S4構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d3，材料為Nd3: Vd3 ;透鏡L3分別由曲率半徑為R5， R6的 兩個(gè)曲面S5、S6構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d5，材料為Nd5:Vd5 ;透鏡Ll與透鏡L2在光軸 上的間距為d2，透鏡L2與透鏡L3在光軸上的間距為d4。 結(jié)合以上的參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)，其具體數(shù)據(jù)分別如下所示
實(shí)例 ①入=4mm P = 22X 入=355nm 其中①A本擴(kuò)束系統(tǒng)允許的最大入光直徑，即本擴(kuò)束系統(tǒng)可接收的入射激光束 的最大光束直接為4mm ; 13為擴(kuò)束倍數(shù)，即本擴(kuò)束系統(tǒng)是將入射激光束的直徑擴(kuò)束22倍 后，仍然是一束平行光，可解決紫外激光束的整形擴(kuò)大激光束直徑以提高成像質(zhì)量的需求； 入為波長(zhǎng)，即入射光為波長(zhǎng)355nm的紫外激光。
曲面s曲率R(咖)面間隔d(mm)材料Nd/Vd
12011. 46/68
22. 5140
323021. 5/70
41401. 5
5031. 6/41
6-24CO 通過(guò)上述實(shí)施例，參數(shù)范圍如下
1)Rl-R6 ARl-6《±5% (Rl-R6)
2)dl—d5 Adl—5《±5%(dl—d5) 3)Ndl/Vdl-Nd5/Vd5A Ndl-5/A Vdl-5《±5% (Ndl/Vdl-Nd5/Vd5) 通過(guò)上述具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可大概歸納本擴(kuò)束系統(tǒng)的過(guò)程最大光束直徑為4mm的
入射激光束，首先經(jīng)過(guò)負(fù)的第一透鏡L1將光束變成發(fā)散光束，然后經(jīng)過(guò)正的第二、第三透
鏡L2、 L3將發(fā)散光束整形，以平行光束射出。整個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)的效果就是將入射激光束的直
徑擴(kuò)束22倍后，并仍以平行光束射出。其中該系統(tǒng)負(fù)的第一透鏡L1的焦距較短，對(duì)像差影
響不大，而正透鏡是決定擴(kuò)束鏡出射光束質(zhì)量的主要承擔(dān)者。但是由于擴(kuò)束的倍數(shù)較大，如
果只用一片正透鏡的話，其光焦度負(fù)擔(dān)就會(huì)很大，為了保證擴(kuò)束后激光束的光束質(zhì)量，故，
需要用兩片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束出射光束質(zhì)量，這樣，既保證了整形的需要，還能使它達(dá)到最
好成像質(zhì)量，而且保證它的外形尺寸也是最小。 由于激光束的不規(guī)整，其發(fā)散角不是預(yù)定的數(shù)量，為此本擴(kuò)束系統(tǒng)的d2(第一片 透鏡和第二片透鏡在光軸上的間距)是可調(diào)節(jié)的，它是通過(guò)鏡筒的機(jī)械調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
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通過(guò)調(diào)節(jié)第一、第二透鏡在光軸上的間距為d2 = 140mm的大小，就可非常方便地 對(duì)輸入的激光束進(jìn)行平行光的整形，而且該擴(kuò)束系統(tǒng)的像質(zhì)也平衡得非常理想，整個(gè)鏡頭 體積也非常小。 圖2為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的彌散斑圖，只有3ii ，已接近瑞利判斷，表 明具有很高的成像質(zhì)量；圖3為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的球差圖，已經(jīng)校正得非常 理想；圖4為本發(fā)明擴(kuò)束系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的綜合像質(zhì)評(píng)價(jià)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖，可看出 該系統(tǒng)的分辨率極高，達(dá)到理想狀態(tài)。
權(quán)利要求
一種激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于，包括位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透鏡，所述第一透鏡為彎月型的負(fù)透鏡，其曲面背向著光線的入射方向彎曲；所述第二透鏡為彎月型的正透鏡，其曲面背向著光線的入射方向彎曲；所述第三透鏡為平凸型的正透鏡；所述本擴(kuò)束系統(tǒng)可將入射激光束的直徑擴(kuò)束22倍后、仍是一束平行光射出。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡與第二透鏡在光軸 上的間距為140mm，且其公差范圍為±5%。
3. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述該激光擴(kuò)束系統(tǒng)允許通過(guò)的 入射激光束的最大光束直徑為4mm。
4. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述入射激光為波長(zhǎng)為355nm的 紫外激光。
5. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡在光軸上的中心厚 度為lmm，且其公差范圍為±5%。
6. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述第二透鏡在光軸上的中心厚 度為2mm，且其公差范圍為±5%。
7. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述第二透鏡與第三透鏡在光軸 上的間距為1.5mm，且其公差范圍為±5%。
8. 如權(quán)利要求1所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述第三透鏡在光軸上的中心厚 度為3mm，且其公差范圍為±5%。
全文摘要
一種應(yīng)用于紫外激光的定倍擴(kuò)束系統(tǒng)，包括位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透鏡，所述第一透鏡為彎月型的負(fù)透鏡，其曲面背向著光線的入射方向彎曲；所述第二透鏡為彎月型的正透鏡，其曲面背向著光線的入射方向彎曲；所述第三透鏡為平凸型的正透鏡；其中，所述由第一、二、三透鏡組成的該擴(kuò)束系統(tǒng)可將入射激光束的直徑擴(kuò)束22倍后、仍是一束平行光射出。由于第一透鏡的焦距較短，而且該擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束倍率較大，故，需要用兩片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束系統(tǒng)出射光束質(zhì)量，這樣，既保證了整形的需要，還能使它達(dá)到最好成像質(zhì)量，而且保證它的外形尺寸也是最小。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101762879SQ20101010251
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者周朝明, 李家英, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司