一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜的制作方法

1.本实用新型涉及激光技术领域，尤其是涉及一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜。


背景技术：

2.激光因具有极好的单色性、相干性、方向性及高亮度已广泛地应用于切割、钻孔、焊接等材料加工领域。在激光加工过程中，为提高激光束的功率/能量密度实现材料高效率去除，一般都需要将激光束聚焦，并将焦点置于材料待加工区域附近。根据激光瑞利斑公式：δ＝2.44λf/d，在激光波长λ和聚焦镜焦距f一定的情况下，焦点处光斑直径反比于聚焦镜物方入射光斑直径。然而多数激光器直接输出的光斑直径尺寸较小，若直接聚焦，其焦点处光斑尺寸较大，功率密度不够高，不利于材料加工。因此，为获得更小的聚焦后焦点光斑尺寸，激光束在聚焦前都需要通过扩束镜对激光光斑进行扩束，而且扩束比越大，越容易获得接近衍射极限的焦点光斑尺寸。
3.另一方面，紫外激光借助于单光子能量高、材料吸收强、热作用小，可聚焦光斑尺寸小等优点近年来在材料精细加工领域得到迅速发展。然而，紫外激光器直接输出的光斑尺寸更小，这是因为目前多数工业紫外激光都是由红外基频激光经过倍频、和频等非线性效应产生的；在这一过程中，只有基频激光束的功率密度足够高才能高效地激发出紫外光，所产生的紫外激光束功率密度也很高；所以在相同的输出功率水平下，紫外激光器直接产生的光束光斑尺寸比波长更长的激光器直接产生的光束光斑尺寸更小。因此紫外激光加工系统更需要大扩束比的扩束镜。此外，绿光激光器也是材料加工领域经常使用的激光光源。工业绿光激光器一般需要使用红外基频光经过倍频效应产生，直接输出的光斑尺寸也比较小，因此在材料加工过程中也需要使用大扩束比的扩束镜。
4.在激光加工过程中，不用应用场景的最佳激光波长或扩束比很可能是不同的，如果同一个激光扩束镜可以适用于不同的使用环境，如不同的激光波长，不同的扩束比，无疑会大大增加激光加工设备的适用性和灵活性。现有紫外/绿光激光变倍扩束镜的扩束比较小，一般不超过10倍，见专利cn 101887173 b，cn 102004319 b，cn 105527716 b，cn 106199983 b等。若要求更大的扩束倍率，只能使用定倍激光扩束镜，这为激光加工带来了不便，影响了激光加工效率。因此，进一步提高紫外/绿光变倍扩束镜的最大扩束比是目前亟需解决的一项任务。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜，包括沿激光入射方向的光轴上依次同轴排列的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4；
8.所述第一透镜l1和第二透镜l2为平凹负透镜，且第一透镜l1凹面朝向激光入射方向；
9.所述第三透镜l3为弯月型正透镜，所述第四透镜l4为双凸型正透镜；
10.所述第一透镜l1包括s1和s2两个面，其中s1面为凹面，曲率半径r1＝
‑
7.7mm； s2面为平面，曲率半径r2＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d1＝2mm；
11.所述第二透镜l2包括s3和s4两个面，其中s3面为平面，曲率半径r3＝∞；s4面为凹面，曲率半径r4＝
‑
7.7mm；两面之间光轴上的中心厚度d3＝2mm；
12.所述第三透镜l3是弯月型正透镜，包括s5和s6两个面，其中s5面曲率半径r5＝
ꢀ‑
261.5mm；s6面曲率半径r6＝
‑
87mm；两面之间光轴上的中心厚度d5＝5mm；
13.所述第四透镜l4是双凸型正透镜，包括s7和s8两个面，其中s7面曲率半径r7＝690 mm；s8面曲率半径r8＝
‑
168.6mm；两面之间光轴上的中心厚度d7＝5mm
14.作为本实用新型进一步的方案：所述第一透镜l1、所述第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4所用材料为融石英，其折射率nd2＝1.46，阿贝数vd2＝68。
15.作为本实用新型进一步的方案：所述第一透镜l1、所述第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4的折射率nd2＝1.46，阿贝数vd2＝68。
16.作为本实用新型进一步的方案：所述第二透镜l2的所述s3面和s4面都镀有355nm 和532nm波长的增透膜；
17.所述第一透镜l1的所述s1面和s2面都镀有355nm和532nm波长的增透膜；
18.所述第三透镜l3的所述s5面和s6面都镀有355nm和532nm波长的增透膜；
19.所述第四透镜l4的所述s7面和s8面都镀有355nm和532nm波长的增透膜。
20.作为本实用新型进一步的方案：所述第一透镜和第二透镜在光轴上的间距为d2；所述第二透镜l2和第三透镜l3在光轴上的间距为d4；所述第三透镜l3和第四透镜l4在光轴上的间距为d6；
21.在两种入射激光波长下，分别调节d2和d4值都可以实现扩束比连续可调；与一般的四镜片扩束镜不同，d6始终保持为一个定值，即所述第三透镜l3和所述第四透镜l4可装配为一个固定镜组，变倍时二者间距无需调节，而只需要调节d2和d4。
22.作为本实用新型进一步的方案：穿过第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4的入射光波长为355nm或532nm，且扩束比在20～40倍之间连续可调。
23.作为本实用新型再进一步的方案：穿过第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4入射光斑直径尺寸为0.5～1mm，可承受最大平均功率超过20w的纳秒紫外激光或50w纳秒绿光激光。
24.作为本实用新型再进一步的方案：入射波长为355nm的紫外激光，所述第一透镜l1 和第二透镜l2在光轴上的间距d2＝2.0～38.1mm；所述第二透镜l2和第三透镜l3在光轴上的间距d4＝124.9～127.7mm，通过调节d2和d4值，可连续调节扩束比，扩束比调节范围20～40倍。
25.作为本实用新型再进一步的方案：入射波长为532nm的绿光激光，所述第一透镜l1 和第二透镜l2在光轴上的间距d2＝2.1～39.5mm；所述第二透镜l2和第三透镜l3在光轴上的间距d4＝129～132.1mm，通过调节d2和d4值，可连续调节扩束比，扩束比调节范围20～40倍。
26.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、扩束比可调范围20～40倍，明显高于现有技术变倍扩束镜的扩束能力，根据瑞利斑公式，这有利于进一步减小激光聚焦后的光斑尺寸，从而提高激光加工效率和精度。
27.2、既可用于紫外激光也可以用于绿光激光变倍扩束，增强了该扩束镜的使用范围，提高了激光加工系统的灵活性和适用性。
28.3、整体结构紧凑，调节简单。即使在最高40倍扩束比下，光学总长度也只有180mm。虽然该扩束镜涉及四个镜片，但变倍时只需调节两个镜片间距d2和d4。
29.4、扩束镜前端两个镜片使用规格完全相同的两个凹透镜且表面曲率较大，这可使入射激光束快速发散而整个光路上完全没有聚焦效果，从而有效保护镜片不至被过强激光损伤。而且，第一个光学表面是凹面，可避免镜片表面垂直反射效果对激光器造成的回光干扰。这种设计使得该扩束镜格外适用于高功率紫外激光和绿光激光扩束。
附图说明
30.图1是本实用新型的双波长大倍率连续变倍激光扩束镜的光学结构示意图。
31.图2(a)是紫外激光扩束20倍时的弥散斑图。
32.图2(b)是紫外激光扩束20倍时的波前光程差分布图。
33.图3(a)是紫外激光扩束40倍时的弥散斑图。
34.图3(b)是紫外激光扩束40倍时的波前光程差分布图。
35.图4(a)是绿光激光扩束20倍时的弥散斑图。
36.图4(b)是绿光激光扩束20倍时的波前光程差分布图。
37.图5(a)是绿光激光扩束40倍时的弥散斑图。
38.图5(b)是绿光激光扩束40倍时的波前光程差分布图。
39.其中：第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4。
具体实施方式
40.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。
41.实施例1
42.请参阅图1
‑
5，本实用新型实施例中，一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜，包括沿激光入射方向的光轴上依次同轴排列的第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4。其中，所述第一透镜l1和第二透镜l2为平凹负透镜，且第一透镜l1凹面朝向激光入射方向，这种设计保证高功率激光入射时既不至因前表面镜面垂直反射而干扰激光器正常工作，也可以在激光束经过l1后快速发散而降低功率密度，从而有效保护所述第二透镜l2不受激光损伤。所述第三透镜l3为弯月型正透镜，所述第四透镜l4为双凸型正透镜。
43.所述第一透镜l1包括s1和s2两个面，其中s1面为凹面，曲率半径r1＝
‑
7.7mm； s2面为平面，曲率半径r2＝∞；两面之间光轴上的中心厚度d1＝2mm；透镜所用材料为融石英，其折射率nd1＝1.46，阿贝数vd1＝68。所述s1面和s2面都镀有355nm和 532nm波长的增透
膜。
44.所述第二透镜l2包括s3和s4两个面，其中s3面为平面，曲率半径r3＝∞；s4面为凹面，曲率半径r4＝
‑
7.7mm；两面之间光轴上的中心厚度d3＝2mm；透镜所用材料为融石英，其折射率nd2＝1.46，阿贝数vd2＝68。所述s3面和s4面都镀有355nm和 532nm波长的增透膜。
45.所述第三透镜l3是弯月型正透镜，包括s5和s6两个面，其中s5面曲率半径r5＝
ꢀ‑
261.5mm；s6面曲率半径r6＝
‑
87mm；两面之间光轴上的中心厚度d5＝5mm；透镜所用材料为融石英，其折射率nd3＝1.46，阿贝数vd3＝68。所述s5面和s6面都镀有355 nm和532nm波长的增透膜。
46.所述第四透镜l4是双凸型正透镜，包括s7和s8两个面，其中s7面曲率半径r7＝690 mm；s8面曲率半径r8＝
‑
168.6mm；两面之间光轴上的中心厚度d7＝5mm；透镜所用材料为融石英，其折射率nd4＝1.46，阿贝数vd4＝68。所述s7面和s8面都镀有355nm 和532nm波长的增透膜。
47.所述第一透镜l1和第二透镜l2在光轴上的间距为d2；所述第二透镜l2和第三透镜l3在光轴上的间距为d4；所述第三透镜l3和第四透镜l4在光轴上的间距为d6。在两种入射激光波长下，分别调节d2和d4值都可以实现扩束比连续可调。与一般的四镜片扩束镜不同，d6始终保持为一个定值，即所述第三透镜l3和所述第四透镜l4可装配为一个固定镜组，变倍时二者间距无需调节，而只需要调节d2和d4。这无疑简化了整体结构，有利于降低扩束镜的装配和使用难度，提高变倍操作精度。
48.本实施例的连续变倍激光扩束镜的具体数据参数整理如表1所示。
49.表1紫外激光变倍扩束镜具体参数
[0050][0051]
在表1中，曲率半径为∞代表所在面是平面；曲率半径的符号标准为表面曲率球心在表面与光轴的顶点右侧为正，反之为负。从表1中可见，所述第一透镜l1和第二透镜l2 的规格相同，且曲率半径虽然足够小使入射激光可以快速发散，但也符合现有球面透镜的正常加工水平。所有四个透镜的前后表面都没有非球面，加工制造难度较低。
[0052]
通过分别改变本实用新型扩束镜的d2和d4值，可以连续调节扩束比。
[0053]
其中，当入射激光为波长为355nm的紫外激光时，本实施例的d2与d4组合对应的扩束倍数关系举例如表2所示。
[0054]
表2紫外激光扩束，d2与d4组合对应的扩束倍数：
[0055]
d2(mm)d4(mm)扩束比2.0127.72011.2126.22520.3125.33029.3124.83538.1124.940
[0056]
当入射激光为波长为532nm的绿光激光时，本实施例的d2与d4组合对应的扩束倍数关系举例如表2所示。
[0057]
表3绿光激光扩束，d2与d4组合对应的扩束倍数：
[0058]
d2(mm)d4(mm)扩束比2.1132.12011.6130.72521129.73030.4129.23539.512940
[0059]
从表2、表3中的数据可以看出扩束倍数越大，整体光学长度越长，但即使最大40倍扩束时，整体光学长度也不超过180mm。
[0060]
本实用新型扩束镜无论对紫外波长还是绿光波长，都可以实现20～40倍之间的高质量扩束。这里定义“高质量”扩束的标准是在0～0.06
°
入射视场角度下，扩束后的激光束经理想透镜聚焦后的弥散斑半径不超过衍射极限光斑(艾里斑)半径，且波前光程差的峰
‑
谷(pv)值小于0.1倍激光波长。图2(a)、2(b)是对紫外激光进行20倍扩束时的弥散斑图和波前光程差分布图。图3(a)、3(b)对紫外激光进行40倍扩束时的弥散斑图和波前光程差分布图。图4(a)、4(b)是对绿光激光进行20倍扩束时的弥散斑图和波前光程差分布图。图5(a)、5(b)是对绿光激光进行40倍扩束时的弥散斑图和波前光程差分布图。可见，在两种波长下，20倍扩束下限和40倍扩束上限都符合高质量扩束标准。20～40倍之间的扩束比也都符合高质量扩束标准，这里不必具体给出。
[0061]
本实用新型的工作原理是：为适应不同激光加工应用场景，一种双波长大倍率连续变倍激光扩束镜，可以对波长为355nm或532nm的紫外和绿光高功率激光进行扩束，且扩束比在20～40倍之间连续可调。设计入射光斑直径尺寸为0.5～1mm，可承受最大平均功率超过20w的纳秒紫外激光或50w纳秒绿光激光。
[0062]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。