[发明专利]激光光场分布整形光学镜头

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种激光光场分布整形光学镜头，特别涉及一种能够对高斯型激光光场进行整形的光学镜头。

【背景技术】

在激光划片中，作用于材料的激光的功率密度刚好达到破坏材料的阈值能量即可。当聚焦的光斑作用于材料表面时，将使材料产生熔化、气化甚至离子化。如图1所示，图1是激光脉冲波形与材料的作用关系的示意图。当激光能量处于I_c附近时，在激光的作用区内通过产生气化及等离子来去除材料。等离子区将对激光产生吸收与散射，在材料加工表面产生一层保护层进而防止激光进一步与材料作用，这样得出的划线边缘整齐光滑。但如果激光能量远大于I_c时，将造成划片质量的下降，例如，产生波纹状边缘、使划线的缝隙变宽以及所产生的熔融材料溅射于切缝边缘而产生杂质区，并还会影响到激光的加工效率。如果激光能量太低，例如低于或稍高于I_th时将产生熔化区而无法去除材料。

目前，一般激光束的光场分布多为高斯型分布。如图2所示，图2是典型高斯型激光光场光强分布示意图。在激光加工应用系统中，系统的高斯型光场可分为E₁、E₂、E₃三个部分。其中，能量区E₃能对材料进行有效地加工，而能量区E₁的能量将大于材料的临界能量值I_c，而使划线时切缝边缘的质量下降。同样地，能量区E₂经光学系统后将作用于缝的边缘而产生热熔区，进一步使划线的质量下降。特别在微加工领域，通过高斯光束划线出来的产品将对产品性能产生非常大影响。因此，需要将高斯型激光束变为如E₃部分所示的分布均匀的“高帽型”的激光束。此外，“高帽型”激光束还将极大地提高激光的利用率，容易控制光强对加工深度的影响。

目前，许多研究都致力于利用二元光学元件(BOE)进行光束整形，该方法建立在衍射理论和惠更斯-菲涅尔衍射积分公式基础上，由光学和计算机技术及精细微加工、微电子技术和光刻技术相互交叉而成。在理论设计的基础上，根据要求输出的光束结构确定整形器件的复振幅反射率或复振幅透过率调制函数，进行材料选择，确定三维结构，用计算机进行微图形结构设计，使用光刻技术及微精细加工制造出二元光学器件。但由于一些加工技术条件的限制，例如激光损伤阈值低，目前二元光学元件还无法应用于强激光系统。

【发明内容】

为了解决现有技术的激光划片过程中高斯型激光束中能量的非均匀分布导致划线质量下降的技术问题，本发明提出了一种基于传统光学系统的激光光场分布整形光学镜头。

本发明解决现有技术的激光划片过程中高斯激光束中能量的非均匀分布导致划线质量下降的技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光光场分布整形光学镜头，其中该光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二和第三透镜，第一透镜为曲面朝向入光侧弯曲的弯月型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，第三透镜为凸平型正透镜。

根据本发明一优选实施例，第一、第二和第三透镜的光焦度与该光学镜头的系统光焦度满足以下公式：

-4＜f₁/f_w＜-3，

1.5＜f₂/f_w＜2.0，

1.2＜f₃/f_w＜2.0，

其中f₁为第一透镜的光焦度，f₂为第二透镜的光焦度，f₃为第三透镜的光焦度，f_w为整个系统的光焦度。

通过采用上述结构，利用传统的光学系统，使得高斯分布的激光光场变换为均匀分布的“高帽型”激光光场，使得光透过率高，激光利用率高。

【附图说明】

图1是激光脉冲波形与材料的作用关系的示意图；

图2是是典型高斯型激光光场光强分布示意图；

图3是本发明激光光场分布整形光学镜头的结构示意图；

图4是图3所示的激光光场分布整形光学镜头的横向像差曲线图；

图5是图3所示的激光光场分布整形光学镜头的边界响应曲线图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。