專利名稱：一種擴(kuò)束系統(tǒng)的制作方法
專利說(shuō)明一種擴(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)。
根據(jù)衍射極限理論激光的發(fā)散角θ與光腰直徑d0的關(guān)系為

其中對(duì)于使用一定的激光器，激光的波長(zhǎng)λ是一定的，所以，激光的發(fā)散角θ與光腰直徑d0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θ，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)β，使激光光束擴(kuò)大到直徑為D＝β·d0，此時(shí)激光的發(fā)散角θ入仍滿足衍射極限理論關(guān)系式

所以，

這樣，理想的會(huì)聚激光光斑

所以，通過(guò)選用合適的倍數(shù)β獲得合適的D值，便可得到理想的聚焦光斑δ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5倍、以提高成像質(zhì)量、且擴(kuò)束后像質(zhì)平衡得非常理想的紫外激光擴(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；所述第二透鏡為平凸型的正透鏡；本擴(kuò)束系統(tǒng)所可將入射激光束的直徑擴(kuò)束5倍后、仍是一束平行光的射出。
其中，所述第一透鏡與第二透鏡在光軸上的間距為100mm，且其公差范圍為±5％。
其中，所述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2mm，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3.5mm，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”依序排列的兩片透鏡，可將入射激光束的直徑擴(kuò)束5倍后，仍以平行光射出；由于負(fù)的第一透鏡的焦距較短，對(duì)像差影響不大，且該擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)不是很大，故，需要用一片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束出射光束質(zhì)量就已足夠。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＝nDθ＝n′D′θ′，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′＝1；D和D′表示光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑和出瞳直徑；θ和θ′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，當(dāng)出射的激光束有發(fā)散角時(shí)，即θ較大時(shí)，通過(guò)擴(kuò)束鏡由D→D′，即放大倍數(shù)β＝D′/D倍，都可使激光束的發(fā)散角縮小β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Φ＝1mm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δ＝2.44λf/D。
可見，入瞳直徑D越小，直徑δ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-θ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)閮蓚€(gè)透鏡，分別第一透鏡L1、第二透鏡L2，所述透鏡L1、L2采用光焦度分配形式為“負(fù)-正”的組合，其中第一負(fù)透鏡焦距較短，故對(duì)像差影響不大，第二正透鏡則是用來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束出射光束質(zhì)量的。
所述第一透鏡L1為彎月型透鏡，且曲面背向著光線入射方向彎曲；透鏡L2為平凸型透鏡。
它們的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)為透鏡L1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d1，材料為Nd1:Vd1；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Nd1:Vd1；透鏡L1與透鏡L2在光軸上的間距為d2。
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 Φ入＝4mmβ＝5Xλ＝355nm 其中，Φ入是本擴(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；β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5倍后，仍然是一束平行光射出，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；λ為波長(zhǎng)，即入射光為波長(zhǎng)355nm的紫外激光。
本專利實(shí)施的參數(shù)范圍如下 1)R1-R4ΔR1-4≤±5％ (R1-R4) 2)d1-d3Δd1-3≤±5％ (d1-d3) 3)Nd1/Vd1 ΔNd1/ΔVd1≤±5％ (Nd1/Vd1) 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，經(jīng)過(guò)負(fù)的第一透鏡L1和正的第二透鏡L2后，入射激光束的直徑被擴(kuò)束5倍，并仍以平行光束射出；由于負(fù)的第一透鏡的焦距較短，對(duì)像差影響不大，且該擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)不是很大，故，需要用一片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束出射光束質(zhì)量就已足夠。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。
通過(guò)調(diào)節(jié)第一、第二透鏡在光軸上的間距為d2＝100mm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，表明成像質(zhì)量很高；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)校正到最佳狀態(tài)；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，表明該擴(kuò)束系統(tǒng)的分辨率極高，已經(jīng)達(dá)到理想狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種擴(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；所述第二透鏡為平凸型的正透鏡；本擴(kuò)束系統(tǒng)可將入射激光束的直徑擴(kuò)束5倍后、仍以一束平行光射出。
2.如權(quán)利要求1所述的擴(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100mm，且其公差范圍為±5％。
3.如權(quán)利要求1所述的擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述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2mm，且其公差范圍為±5％。
6.如權(quán)利要求1所述的擴(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3.5mm，且其公差范圍為±5％。
全文摘要
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；所述第二透鏡為平凸型的正透鏡；整個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)可將入射激光束的直徑擴(kuò)束5倍后、仍是一束平行光的射出。本激光擴(kuò)束系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置光焦度分配為“負(fù)-正”形式的依序排列的兩片透鏡，可將入射激光束的直徑擴(kuò)束5倍后，仍以平行光射出；由于負(fù)的第一透鏡的焦距較短，對(duì)像差影響不大，且該擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束倍數(shù)不是很大，故，需要用一片正透鏡來(lái)承擔(dān)擴(kuò)束出射光束質(zhì)量就已足夠。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。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101762877SQ201010102499
公開日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)明者高云峰, 李家英, 周朝明 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司