专利名称：一种激光扩束系统的制作方法
一种激光扩束系统
技术领域：
本发明涉及一种应用于紫外激光的定倍扩束系统。
背景技术：
激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工过程聚 焦点的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率，但如何在工作时提高激光 的聚焦能量密度呢？ 一般是通过尽可能获得小的聚焦点。
4义 根据衍射极限理论激光的发散角9与光腰直径d。的关系为(9J。=—，其中对
于使用一定的激光器，激光的波长a是一定的，所以，激光的发散角e与光腰直径d。的乘 积为常数。从激光器输出的激光光束直径一般较小，在通过一定焦距的会聚光学系统聚焦 之前，要求扩大光束直径以减小发散角e ，同时获得较大的入射光束直径。
假设在激光器与焦距为f的会聚光学系统中加入一个激光扩束系统，根据要求选 用适当的扩束倍数P，使激光光束扩大到直径为D二 e ，d。，此时激光的发散角e入仍满足
衍射极限理论关系式^入 D = ^ d。 = M，所以，e人=4 = ^ 。这样，理想的会聚激光光斑
4义-/"
^ = ^^/ = ^f 。所以，通过选用合适的倍数P获得合适的D值，便可得到理想的聚焦光 斑S以提高工作焦点处的能量密度。 本发明的定倍扩束系统，主要是为了解决紫外激光束的整形及扩大激光束直径以 提高成像质量的需要。这种定倍扩束镜设计虽然相对容易一些，但对激光束整形的能力却 非常方便有效。
发明内容
本发明提供一种可将入射激光束的直径扩束至22倍、以提高成像质量、且扩束后 像质平衡得非常理想的激光扩束系统。 本发明所采用的技术方案是一种激光扩束系统，包括位于光束的入射方向依序 排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为弯月型的负透镜，其曲面背向着光线的入射方向 弯曲；所述第二透镜为弯月型的正透镜，其曲面背向着光线的入射方向弯曲；所述第三透 镜为平凸型的正透镜；该激光扩束系统可将入射激光束的直径扩束22倍后、仍是一束平行 光射出。 其中，所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为140mm，且其公差范围为 ±5%。 其中，所述该激光扩束系统允许通过的入射激光束的最大光束直径为4mm。
其中，所述入射激光为波长为355nm的紫外激光。 其中，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为lmm，且其公差范围为±5%。
其中，所述第二透镜在光轴上的中心厚度为2mm，且其公差范围为±5%。
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其中，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为1.5mm，且其公差范围为
±5%。 其中，所述第三透镜在光轴上的中心厚度为3mm，且其公差范围为±5%。 本激光扩束系统，通过设置以"负_正_正"依序排列的三片透镜，由于负的第一
透镜的焦距较短，且由于整个激光扩束系统扩束倍率较大，故，需要用两片正透镜来承担扩
束出射光束质量，这样，既保证了整形的需要，还能使它达到最好成像质量，而且保证它的
外形尺寸也是最小，本扩束系统的像质也平衡得非常理想，整个镜头体积也非常小。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明激光扩束系统的光学系统结构示意图； 图2为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图； 图3为本发明扩束系统较佳实施例中的球差图； 图4为本发明扩束系统较佳实施例中的光学传递函数MTF图。
具体实施方式
随着激光加工的迅速发展，光学扩束镜在激光加工光学系统中，占有相当重要的 地位。由于用于激光加工的激光束有发散角，所以要用光学扩束镜来调整激光束的不规整， 可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚焦时焦点处的能量密度，从而提 高激光的加工作用与效率。 根据拉氏不变量(Lagrange)定理能量J = nD e = n' D' 9'，其中，n和n' 表示光学系统在介质中的折射率，当介质为空气时，n = n' 二1;D和D'表示光学系统的 入瞳直径和出瞳直径；9和9'表示光学系统的入射光的视场角和出射光的视场角，当视 场角很小时，可以用弧度来表示。 由上式可见，当出射的激光束有发散角时，S卩9较大时，通过扩束镜由D —D'，即
放大倍数P =D' /D倍，都可使激光束的发散角縮小13倍，从而达到整形激光束的目的。 另一方面， 一般的激光束出光直径都很小(约①=lmm左右)，为此，要直接聚焦
这么细的光束，其瑞利斑就很大，据瑞利斑公式瑞利斑直径S =2.44Af/D。 可见，入瞳直径D越小，直径S就越大，就会大大地降低聚焦镜头的精度。 鉴于以上两个基本要求，激光加工的光学系统一般都要配用扩束镜。除此外，有的
扩束镜能够可以单独与聚焦镜或f-e镜头匹配使用，有些还必须与配合使用的光学系统
联系在一起考虑像差的平衡，才能得到理想的结果。 本发明公开的就是一种紫外激光应用定倍扩束系统。 如图1所示，本发明公开的紫外激光应用定倍扩束系统，包括根据光线的入射光 线方向依次排序为三个透镜，分别第一透镜Ll、第二透镜L2、及第三透镜L3。该三个透镜 L1、L2、L3采用光焦度分配形式为"负_正_正"的组合，负透镜的焦距较短，对像差影响不 大，而正透镜是决定扩束镜出射光束质量的主要承担者。 所述第一、第二透镜L1、L2都为弯月型透镜，且曲面均背向着光线入射方向弯曲； 透镜L3为平凸型透镜。
它们的具体结构及参数为透镜LI分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构 成，其光轴上的中心厚度dl，材料为Ndl:Vdl ;透镜L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面 S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3: Vd3 ;透镜L3分别由曲率半径为R5， R6的 两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5:Vd5 ;透镜Ll与透镜L2在光轴 上的间距为d2，透镜L2与透镜L3在光轴上的间距为d4。 结合以上的参数，我们设计了一个扩束系统，其具体数据分别如下所示
实例 ①入=4mm P = 22X 入=355nm 其中①A本扩束系统允许的最大入光直径，即本扩束系统可接收的入射激光束 的最大光束直接为4mm ; 13为扩束倍数，即本扩束系统是将入射激光束的直径扩束22倍 后，仍然是一束平行光，可解决紫外激光束的整形扩大激光束直径以提高成像质量的需求； 入为波长，即入射光为波长355nm的紫外激光。
曲面s曲率R(咖)面间隔d(mm)材料Nd/Vd
12011. 46/68
22. 5140
323021. 5/70
41401. 5
5031. 6/41
6-24CO 通过上述实施例，参数范围如下
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) 通过上述具体实验参数，可大概归纳本扩束系统的过程最大光束直径为4mm的
入射激光束，首先经过负的第一透镜L1将光束变成发散光束，然后经过正的第二、第三透
镜L2、 L3将发散光束整形，以平行光束射出。整个扩束系统的效果就是将入射激光束的直
径扩束22倍后，并仍以平行光束射出。其中该系统负的第一透镜L1的焦距较短，对像差影
响不大，而正透镜是决定扩束镜出射光束质量的主要承担者。但是由于扩束的倍数较大，如
果只用一片正透镜的话，其光焦度负担就会很大，为了保证扩束后激光束的光束质量，故，
需要用两片正透镜来承担扩束出射光束质量，这样，既保证了整形的需要，还能使它达到最
好成像质量，而且保证它的外形尺寸也是最小。 由于激光束的不规整，其发散角不是预定的数量，为此本扩束系统的d2(第一片 透镜和第二片透镜在光轴上的间距)是可调节的，它是通过镜筒的机械调节来实现的。
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通过调节第一、第二透镜在光轴上的间距为d2 = 140mm的大小，就可非常方便地 对输入的激光束进行平行光的整形，而且该扩束系统的像质也平衡得非常理想，整个镜头 体积也非常小。 图2为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图，只有3ii ，已接近瑞利判断，表 明具有很高的成像质量；图3为本发明扩束系统较佳实施例中的球差图，已经校正得非常 理想；图4为本发明扩束系统较佳实施例中的综合像质评价的光学传递函数MTF图，可看出 该系统的分辨率极高，达到理想状态。
权利要求
一种激光扩束系统，其特征在于，包括位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为弯月型的负透镜，其曲面背向着光线的入射方向弯曲；所述第二透镜为弯月型的正透镜，其曲面背向着光线的入射方向弯曲；所述第三透镜为平凸型的正透镜；所述本扩束系统可将入射激光束的直径扩束22倍后、仍是一束平行光射出。
2. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述第一透镜与第二透镜在光轴 上的间距为140mm，且其公差范围为±5%。
3. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述该激光扩束系统允许通过的 入射激光束的最大光束直径为4mm。
4. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述入射激光为波长为355nm的 紫外激光。
5. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述第一透镜在光轴上的中心厚 度为lmm，且其公差范围为±5%。
6. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述第二透镜在光轴上的中心厚 度为2mm，且其公差范围为±5%。
7. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述第二透镜与第三透镜在光轴 上的间距为1.5mm，且其公差范围为±5%。
8. 如权利要求1所述的激光扩束系统，其特征在于所述第三透镜在光轴上的中心厚 度为3mm，且其公差范围为±5%。
全文摘要
一种应用于紫外激光的定倍扩束系统，包括位于光束的入射方向依序排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为弯月型的负透镜，其曲面背向着光线的入射方向弯曲；所述第二透镜为弯月型的正透镜，其曲面背向着光线的入射方向弯曲；所述第三透镜为平凸型的正透镜；其中，所述由第一、二、三透镜组成的该扩束系统可将入射激光束的直径扩束22倍后、仍是一束平行光射出。由于第一透镜的焦距较短，而且该扩束系统的扩束倍率较大，故，需要用两片正透镜来承担扩束系统出射光束质量，这样，既保证了整形的需要，还能使它达到最好成像质量，而且保证它的外形尺寸也是最小。
文档编号G02B27/09GK101762879SQ20101010251
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者周朝明, 李家英, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司