一种用于高功率激光的变倍扩束镜及激光加工系统的制作方法

本申请属于激光精密加工领域，具体地，涉及一种用于高功率激光的变倍扩束镜及激光加工系统。

背景技术：

1、在精密激光加工应用中，需要精确控制聚焦光斑的尺寸。聚焦光斑直径的计算公式为l＝1.83λf/l，其中l为聚焦光斑的直径，λ为所用激光的波长，f为系统焦距，l为入射光束直径。由该式可以看出，在激光的波长λ、系统焦距f确定的情况下，为实现对聚焦光斑l的精确控制，需要对入射激光的光束直径做精确的调节。

2、在实际的加工中，通常使用扩束镜来调节激光光束的直径。扩束镜具有定倍和变倍两种结构，定倍扩束镜可以对光束进行固定倍率的放大，结构简单易用，但是适用的场景较为单一，不能对光束直径做连续调节；变倍扩束镜则可以在一定范围内对光束做连续倍率的放大，结构相对复杂，可适用于不同的场景。

3、常见的变倍扩束镜，一般至少由三组镜片构成，其中第一组具有正焦距、第二组具有负焦距、第三组具有正焦距。其工作原理是光束经过第一组正透镜被汇聚，然后经过第二组负透镜被发散，最后经过第三组正透镜被准直得到平行出入光。通过调节三组镜片之间的相对距离，实现不同的放大倍率。这种结构的扩束镜，结构紧凑，调节精确。但具有一个明显的缺陷，即由于第一组透镜具有正焦距，使得入射到第二组镜片上的光束直径减小，落在这组镜片上的激光功率/能量密度增大，甚至存在激光直接聚焦在第二片镜片上的风险，因而该结构的扩束镜用于高功率的场合具有较大的风险，第二组镜片比较容易因功率/能量密度过高而被激光损伤。

4、目前已有其它结构形式的变倍扩束镜(将第一组透镜设计为负焦距)可以解决上述技术问题，但已有变倍扩束镜的镜片总数量至少为四片，成本相对高，组装过程相对复杂。并且，其最小变倍倍率无法覆盖1～2倍之间的应用场景，具有一定的应用局限性。

技术实现思路

1、有鉴于此，作为本申请的一方面，提供了一种用于高功率激光的变倍扩束镜，包括：沿激光光束入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距分别为负、正、负，所述第一透镜与所述第三透镜为弯月透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述第一透镜前表面与后表面的曲率半径分别为-23.43mm和-44.632mm，所述第一透镜的中心厚度为5mm；所述第二透镜前表面与后表面的曲率半径分别为592.085mm和-84.227mm，所述第二透镜的中心厚度为6mm；所述第三透镜前表面与后表面的曲率半径分别为-72.261mm和-204.846mm，所述第三透镜的中心厚度为5mm。

2、进一步地，所述第一透镜的通光直径为25.4mm，所述第二透镜与所述第三透镜的通光直径为40mm。

3、进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质均为熔石英玻璃。

4、进一步地，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为1～3倍，其中，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的间距为l1，所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的间距为l2，所述l1从105.056mm至250.004mm可调，所述l2从250.002mm至29.997mm可调。

5、进一步地，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为1倍，所述l1＝105.056mm，所述l2＝250.002mm。

6、进一步地，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为2倍，所述l1＝177.492mm，所述l2＝84.549mm。

7、进一步地，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为3倍，所述l1＝250.004mm，所述l2＝29.997mm。

8、作为本申请的另一方面，提供了一种激光加工系统，包括激光器，以及设置在所述激光器发射的光路上的上述用于高功率激光的变倍扩束镜，所述激光器包括皮秒激光器或飞秒激光器。

9、进一步地，所述激光器的波长为343nm、355nm、532nm或者1064nm。

10、本申请的有益效果是：本申请提出一种用于高功率激光的变倍扩束镜，可精密调节激光光束直径。通过该变倍扩束镜的焦距分配，使得激光光束经过变倍扩束镜将会发生发散、汇聚、准直的过程，激光光束被第二透镜适当汇聚落在第三镜片上时，并且在整个变换过程中，光束直径均不小于原始入射直径，激光的激光功率/能量密度不增大，从而显著规避用于高功率场合时镜片被激光损伤的风险，提高了系统在高功率使用下的可靠性。

11、此外，三片式结构简单紧凑，镜片数量少，成本低，装配调试简单。

技术特征：

1.一种用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，包括：沿激光光束入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距分别为负、正、负，所述第一透镜与所述第三透镜为弯月透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述第一透镜前表面与后表面的曲率半径分别为-23.43mm和-44.632mm，所述第一透镜的中心厚度为5mm；所述第二透镜前表面与后表面的曲率半径分别为592.085mm和-84.227mm，所述第二透镜的中心厚度为6mm；所述第三透镜前表面与后表面的曲率半径分别为-72.261mm和-204.846mm，所述第三透镜的中心厚度为5mm。

2.根据权利要求1所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述第一透镜的通光直径为25.4mm，所述第二透镜与所述第三透镜的通光直径为40mm。

3.根据权利要求1所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材质均为熔石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为1～3倍，其中，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的间距为l1，所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的间距为l2，所述l1从105.056mm至250.004mm可调，所述l2从250.002mm至29.997mm可调。

5.根据权利要求4所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为1倍，所述l1＝105.056mm，所述l2＝250.002mm。

6.根据权利要求4所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为2倍，所述l1＝177.492mm，所述l2＝84.549mm。

7.根据权利要求4所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，其特征在于，所述变倍扩束镜的放大倍率范围为3倍，所述l1＝250.004mm，所述l2＝29.997mm。

8.一种激光加工系统，其特征在于，包括激光器，以及设置在所述激光器发射的光路上的权利要求1～7任一项所述的用于高功率激光的变倍扩束镜，所述激光器包括皮秒激光器或飞秒激光器。

9.根据权利要求8所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光器的波长为343nm、355nm、532nm或者1064nm。

技术总结
本申请提出一种用于高功率激光的变倍扩束镜及激光加工系统，变倍扩束镜包括沿激光光束入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜，焦距分别为负、正、负，第一透镜与第三透镜为弯月透镜，第二透镜为双凸透镜，第一透镜前表面与后表面的曲率半径分别为‑23.43mm和‑44.632mm，其中心厚度为5mm；第二透镜前表面与后表面的曲率半径分别为592.085mm和‑84.227mm，其中心厚度为6mm；第三透镜前表面与后表面的曲率半径分别为‑72.261mm和‑204.846mm，其中心厚度为5mm。通过该变倍扩束镜的焦距分配，使得激光功率/能量密度不增大，规避用于高功率场合时镜片被激光损伤的风险。

技术研发人员：程晓伟,梁乔春,吴越
受保护的技术使用者：帝尔激光科技（无锡）有限公司
技术研发日：20231129
技术公布日：2024/6/2