一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜的制作方法
专利名称:一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜,包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置；所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴：所述聚焦曲面为球面或非球面。采用单镜片即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种镜片装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
【专利说明】
一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜
技术领域
[0001]本实用新型涉及光学设备领域，具体为一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜。
【背景技术】
[0002]激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性进行激光切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等，其中尤以激光切割、打孔、微加工等工艺对聚焦激光束特性要求相对较高。同等激光功率下，往往须同时具备聚焦光斑小、焦深长、峰值功率密度高，才能更大限度提升加工速度与质量。
[0003]现如今，激光切割占据激光加工工艺过半市场成为主流，大部分激光切割光路采用光学性能较好的光学透镜组合甚至非球面镜。然而，常规光学透镜、镜组以及非球面镜获得的聚焦光斑小时，则焦深长度受限;满足了焦深长度，则光斑较大而峰值功率降低。
[0004]轴向多焦点光学透镜能够一定程度上弥补常规光学透镜、镜组及非球面镜的不足，可同时实现聚焦光斑小、焦深较长。缺点是，轴向多焦点光学透镜受限于激光束模式组成、入射光束尺寸等多因素，从而影响使用稳定性和范围。
[0005]轴锥透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰值能量分布。不足的是，轴锥透镜焦深范围内光斑峰值功率密度差异比较明显，且对机械装配精度要求极高，难以广泛用于工业激光加工行业。
[0006]为改善现有激光切割、打孔、微加工等加工工艺，提高光学透镜对激光束模式普适性以及聚焦光斑焦深段内激光束峰值功率稳定性，同时降低装配精度要求，降低光路光学透镜数量与复杂度，以适用于一般场合，本实用新型提出一种新型透镜，同轴多环带高斯镜，对平行入射光聚焦可获得贝塞尔高斯光束，聚焦段高能量分布范围光斑小、焦深极长且焦深范围内光斑峰值功率密度基本一致。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种对平行入射光聚焦可获得聚焦光斑高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深极长且焦深范围内峰值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束，可用于改善对聚焦光束特性要求高的激光加工工艺如激光切割、打孔、微加工等，尤其有利于提高透明材料的激光加工速度与质量，以解决上述【背景技术】中提出的问题的技术方案。
[0008]—种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置;所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴:所述聚焦曲面为球面或非球面。
[0009]作为优选，环形光轴与光学透镜中心轴同心并相互平行。
[0010]作为优选，光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。
[0011]作为优选，聚焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带宽度成正比，与对应环带焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:该实用新型采用单光学透镜即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种光学透镜装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构不意图；
[0014]图2为环带曲面结构示意图；
[0015]图3为本实用新型剖切面结构示意图；
[0016]图4为本实用新型局部剖切面结构示意图；
[0017]图5为同轴多环带高斯镜及虚线所示各环形球面带光轴；
[0018]图6为实施例1装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光示范；
[0019]图7为实施例2装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光示范；
[0020]图8为光学透镜聚焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯分布剖切图；
[0021]图9为光学透镜聚焦焦深段离焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯分布剖切图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]请参阅图1?4，本实用新型提供一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，包括多环带曲面2和聚焦曲面1，多环带曲面2和聚焦曲面I以同轴方式相互叠加设置，多环带曲面2上设置有以同心圆结构设置环带3，环带3表面为球面或非球面，相邻环带3之间设置有环形光轴4，聚焦曲面I为球面或非球面。在平行或近平行入射光下，可获得聚焦光斑高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深极长且焦深范围内峰值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束。考虑到该种光学透镜无必要消像差以及光学透镜加工成本，选用球面方案最佳。本设计选用球面方案，但涵盖非球面及两者组合。
[0024]其中，环形光轴4与光学透镜中心轴同心并相互平行。光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。
[0025]并且，聚焦光斑总尺寸受激光光束参数影响，主要取决于设计光学透镜的聚焦光斑。焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带3宽度成正比，与对应环带3焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。焦深长度是以聚焦光束中心高功率密度分布区域尺寸变化来衡量。
[0026]与此同时，光学透镜适用于改善精细激光加工工艺，特别是透明材料的激光加工如玻璃切割等工艺。与现有技术相比，该实用新型采用单光学透镜即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种光学透镜装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
[0027]实施例1
[0028]同轴多环带高斯镜的环带呈现等间距，环带3宽度为T，利于提高光学透镜在不同激光模式下的稳定性，每个环带3均为球面环带，球面半径相等均为R0，另一球面半径为R1。光学透镜直径取决于入射光斑尺寸。
[0029]如图6所示，以圆形平行或近平行光入射为例，D为聚焦光斑总直径，BFLl、BFL2分别对应相应装配方式下，球面半径Rl和光学透镜厚度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光斑直径D与球面半径Rl及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成反比，理论比例系数约为I。如图8可见，光学透镜聚焦光斑总直径为D，实际可用高功率密度分布的光斑直径约为d，d远小于聚焦光斑总直径D。
[0030]实施例2
[0031]由于光学透镜可正反装配，如图7所示，以圆形平行或近平行光入射为例，D为聚焦光斑总直径，BFLl、BFL2分别对应相应装配方式下，球面半径Rl和光学透镜厚度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光斑直径D与球面半径Rl及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成反比，理论比例系数约为I。由图9可见的光学透镜焦深段任意截面光斑总直径为Dl，D1随着离焦距离的增大而增大，实际可用高功率密度分布光斑直径d基本不变。在焦深段内，聚焦光斑峰值功率密度差异不大。
[0032]尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置;所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴:所述聚焦曲面为球面或非球面。2.根据权利要求1所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述环形光轴与多环带曲面中心轴同心并相互平行。3.根据权利要求1所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。4.根据权利要求3所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述聚焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带宽度成正比，与对应环带焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。
【文档编号】G02B3/10GK205720742SQ201620147266
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】邵华江, 李思佳, 李思泉
【申请人】上海嘉强自动化技术有限公司
【专利摘要】本实用新型公开了一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜,包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置；所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴：所述聚焦曲面为球面或非球面。采用单镜片即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种镜片装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
【专利说明】
一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜
技术领域
[0001]本实用新型涉及光学设备领域，具体为一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜。
【背景技术】
[0002]激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性进行激光切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等，其中尤以激光切割、打孔、微加工等工艺对聚焦激光束特性要求相对较高。同等激光功率下，往往须同时具备聚焦光斑小、焦深长、峰值功率密度高，才能更大限度提升加工速度与质量。
[0003]现如今，激光切割占据激光加工工艺过半市场成为主流，大部分激光切割光路采用光学性能较好的光学透镜组合甚至非球面镜。然而，常规光学透镜、镜组以及非球面镜获得的聚焦光斑小时，则焦深长度受限;满足了焦深长度，则光斑较大而峰值功率降低。
[0004]轴向多焦点光学透镜能够一定程度上弥补常规光学透镜、镜组及非球面镜的不足，可同时实现聚焦光斑小、焦深较长。缺点是，轴向多焦点光学透镜受限于激光束模式组成、入射光束尺寸等多因素，从而影响使用稳定性和范围。
[0005]轴锥透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰值能量分布。不足的是，轴锥透镜焦深范围内光斑峰值功率密度差异比较明显，且对机械装配精度要求极高，难以广泛用于工业激光加工行业。
[0006]为改善现有激光切割、打孔、微加工等加工工艺，提高光学透镜对激光束模式普适性以及聚焦光斑焦深段内激光束峰值功率稳定性，同时降低装配精度要求，降低光路光学透镜数量与复杂度，以适用于一般场合，本实用新型提出一种新型透镜，同轴多环带高斯镜，对平行入射光聚焦可获得贝塞尔高斯光束，聚焦段高能量分布范围光斑小、焦深极长且焦深范围内光斑峰值功率密度基本一致。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种对平行入射光聚焦可获得聚焦光斑高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深极长且焦深范围内峰值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束，可用于改善对聚焦光束特性要求高的激光加工工艺如激光切割、打孔、微加工等，尤其有利于提高透明材料的激光加工速度与质量，以解决上述【背景技术】中提出的问题的技术方案。
[0008]—种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置;所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴:所述聚焦曲面为球面或非球面。
[0009]作为优选，环形光轴与光学透镜中心轴同心并相互平行。
[0010]作为优选，光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。
[0011]作为优选，聚焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带宽度成正比，与对应环带焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:该实用新型采用单光学透镜即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种光学透镜装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构不意图；
[0014]图2为环带曲面结构示意图；
[0015]图3为本实用新型剖切面结构示意图；
[0016]图4为本实用新型局部剖切面结构示意图；
[0017]图5为同轴多环带高斯镜及虚线所示各环形球面带光轴；
[0018]图6为实施例1装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光示范；
[0019]图7为实施例2装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光示范；
[0020]图8为光学透镜聚焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯分布剖切图；
[0021]图9为光学透镜聚焦焦深段离焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯分布剖切图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0023]请参阅图1?4，本实用新型提供一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，包括多环带曲面2和聚焦曲面1，多环带曲面2和聚焦曲面I以同轴方式相互叠加设置，多环带曲面2上设置有以同心圆结构设置环带3，环带3表面为球面或非球面，相邻环带3之间设置有环形光轴4，聚焦曲面I为球面或非球面。在平行或近平行入射光下，可获得聚焦光斑高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深极长且焦深范围内峰值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束。考虑到该种光学透镜无必要消像差以及光学透镜加工成本，选用球面方案最佳。本设计选用球面方案，但涵盖非球面及两者组合。
[0024]其中，环形光轴4与光学透镜中心轴同心并相互平行。光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。
[0025]并且，聚焦光斑总尺寸受激光光束参数影响，主要取决于设计光学透镜的聚焦光斑。焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带3宽度成正比，与对应环带3焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。焦深长度是以聚焦光束中心高功率密度分布区域尺寸变化来衡量。
[0026]与此同时，光学透镜适用于改善精细激光加工工艺，特别是透明材料的激光加工如玻璃切割等工艺。与现有技术相比，该实用新型采用单光学透镜即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种光学透镜装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。
[0027]实施例1
[0028]同轴多环带高斯镜的环带呈现等间距，环带3宽度为T，利于提高光学透镜在不同激光模式下的稳定性，每个环带3均为球面环带，球面半径相等均为R0，另一球面半径为R1。光学透镜直径取决于入射光斑尺寸。
[0029]如图6所示，以圆形平行或近平行光入射为例，D为聚焦光斑总直径，BFLl、BFL2分别对应相应装配方式下，球面半径Rl和光学透镜厚度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光斑直径D与球面半径Rl及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成反比，理论比例系数约为I。如图8可见，光学透镜聚焦光斑总直径为D，实际可用高功率密度分布的光斑直径约为d，d远小于聚焦光斑总直径D。
[0030]实施例2
[0031]由于光学透镜可正反装配，如图7所示，以圆形平行或近平行光入射为例，D为聚焦光斑总直径，BFLl、BFL2分别对应相应装配方式下，球面半径Rl和光学透镜厚度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光斑直径D与球面半径Rl及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成反比，理论比例系数约为I。由图9可见的光学透镜焦深段任意截面光斑总直径为Dl，D1随着离焦距离的增大而增大，实际可用高功率密度分布光斑直径d基本不变。在焦深段内，聚焦光斑峰值功率密度差异不大。
[0032]尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置;所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴:所述聚焦曲面为球面或非球面。2.根据权利要求1所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述环形光轴与多环带曲面中心轴同心并相互平行。3.根据权利要求1所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述光学透镜正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为光学透镜前后焦点位置，光学透镜焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。4.根据权利要求3所述的一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜，其特征在于:所述聚焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带宽度成正比，与对应环带焦距成反比，与光学透镜另一聚焦面对应焦距成正比，比例系数约为I。
【文档编号】G02B3/10GK205720742SQ201620147266
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年2月26日
【发明人】邵华江, 李思佳, 李思泉
【申请人】上海嘉强自动化技术有限公司
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