[发明专利]一种激光扩束系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种应用于紫外激光的定倍扩束系统。

【背景技术】

激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工 过程聚焦点的能量密度，使得激光有效地工作，并提高激光的工作效率，但如 何在工作时提高激光的聚焦能量密度呢？一般是通过尽可能获得小的聚焦点。

根据衍射极限理论：激光的发散角θ与光腰直径d₀的关系为其中 对于使用一定的激光器，激光的波长λ是一定的，所以，激光的发散角θ与光腰 直径d₀的乘积为常数。从激光器输出的激光光束直径一般较小，在通过一定焦 距的会聚光学系统聚焦之前，要求扩大光束直径以减小发散角θ，同时获得较大 的入射光束直径。

假设在激光器与焦距为f的会聚光学系统中加入一个激光扩束系统，根据要 求选用适当的扩束倍数β，使激光光束扩大到直径为D＝β·d₀，此时激光的发散 角θ_入仍满足衍射极限理论关系式所以，这样， 理想的会聚激光光斑所以，通过选用合适的倍数β获得合适的 D值，便可得到理想的聚焦光斑δ以提高工作焦点处的能量密度。

本发明的定倍扩束系统，主要是为了解决紫外激光束的整形及扩大激光束 直径以提高成像质量的需要。这种定倍扩束镜设计虽然相对容易一些，但对激 光束整形的能力却非常方便有效。

【发明内容】

本发明提供一种可将入射激光束的直径扩束至22倍、以提高成像质量、且 扩束后像质平衡得非常理想的激光扩束系统。

本发明所采用的技术方案是一种激光扩束系统，包括：位于光束的入射方 向依序排列的第一、二、三透镜，所述第一透镜为弯月型的负透镜，其曲面背 向着光线的入射方向弯曲；所述第二透镜为弯月型的正透镜，其曲面背向着光 线的入射方向弯曲；所述第三透镜为平凸型的正透镜；该激光扩束系统可将入 射激光束的直径扩束22倍后、仍是一束平行光射出。

其中，所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为140mm，且其公差范围 为±5％。

其中，所述该激光扩束系统允许通过的入射激光束的最大光束直径为4mm。

其中，所述入射激光为波长为355nm的紫外激光。

其中，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为1mm，且其公差范围为±5％。

其中，所述第二透镜在光轴上的中心厚度为2mm，且其公差范围为±5％。

其中，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为1.5mm，且其公差范围 为±5％。

其中，所述第三透镜在光轴上的中心厚度为3mm，且其公差范围为±5％。

本激光扩束系统，通过设置以“负-正-正”依序排列的三片透镜，由于负 的第一透镜的焦距较短，且由于整个激光扩束系统扩束倍率较大，故，需要用 两片正透镜来承担扩束出射光束质量，这样，既保证了整形的需要，还能使它 达到最好成像质量，而且保证它的外形尺寸也是最小，本扩束系统的像质也平 衡得非常理想，整个镜头体积也非常小。

【附图说明】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明激光扩束系统的光学系统结构示意图；

图2为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图；

图3为本发明扩束系统较佳实施例中的球差图；

图4为本发明扩束系统较佳实施例中的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

随着激光加工的迅速发展，光学扩束镜在激光加工光学系统中，占有相当 重要的地位。由于用于激光加工的激光束有发散角，所以要用光学扩束镜来调 整激光束的不规整，可使得激光聚焦系统得到较大的像方孔径角，提高激光聚 焦时焦点处的能量密度，从而提高激光的加工作用与效率。

根据拉氏不变量(Lagrange)定理：能量J＝nDθ＝n′D′θ′，其中，n和n′ 表示光学系统在介质中的折射率，当介质为空气时，n＝n′＝1；D和D′表示光 学系统的入瞳直径和出瞳直径；θ和θ′表示光学系统的入射光的视场角和出 射光的视场角，当视场角很小时，可以用弧度来表示。

由上式可见，当出射的激光束有发散角时，即θ较大时，通过扩束镜由D→D′， 即放大倍数β＝D′/D倍，都可使激光束的发散角缩小β倍，从而达到整形激 光束的目的。