[发明专利]一种实现轴向均匀线焦斑的光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学器件,尤其涉及一种用于改变激光光束聚焦特性的透射或反射器件。

背景技术

玻璃、蓝宝石与晶圆等透明或脆性材料的应用领域越来越广泛,最具代表性的应用领域是消费电子类产品,如智能手机的面板、摄像头的保护窗口、指纹识别窗口等部件已经大量使用了强化玻璃、蓝宝石等透明材料。因此，对这些材料的有效与快速加工具有重要的现实意义。传统的机械加工方法速度慢、崩边严重、耗材与费用高，已经越来越难以满足日益增加的透明或脆性材料的加工要求。随着激光技术的快速发展，人们已经普遍认可了用高功率激光束作为工具的激光加工方法。然而，基于激光剥蚀的加工方法虽然加工质量远高于机械方法、但是加工速度不高且设备成本昂贵，难以满足快速增长的工业需求。基于热应力的CO₂激光切割则只能用来进行直线切割、很难实现异性切割，且加工质量难以满足要求。

为了克服上述激光切割透明或脆性材料的弱点，市场上出现了两种快速切割的方法。一种是隐性切割法，此方法使用高数字孔径镜头将激光聚焦在透明材料内部，通过产生的应力使材料分解。该方法的优点是切割速度快、边沿质量好(几乎无崩边)，以及无锥度，缺点是只能做直线切割、需要后续加工如裂片等，以及对厚的材料需要多层切割。另一种是“光丝”切割法，该方法利用高功率密度的激光在材料中产生丝状强应力及微裂纹，使材料自动分解，它的最显著的特点是能快速切割厚的材料。产生丝状应力的方法也有两种，一种是“灯丝”效应，它是由超快激光的非线性效应引起的自聚焦而产生的具有高功率密度的线状光通道，如参考文献(1)、(2)所述；另一种是通过对激光束整形，使之具有拉长焦斑的特殊光束，如贝塞尔光束，见参考文献(3)。前者的缺点是对加工的材料要求严格、加工参数“窗口”小、受材料表面影响比较大；后者即贝塞尔光束虽可以产生类似灯丝的狭长光束、且在焦深范围内功率变化不大，但其显著缺点是焦深范围有限、峰值功率较低，单脉冲可能不足以破坏材料，另外形成贝塞尔光束的光学系统也比较复杂。

(1)A.Couairon&A.Mysyrowicz,Femtosecond filamentation in transparent media,Physics Reports 441(2007)47-189

(2)Abhas S.Hosseini&Peter R.Herman,Method of material processing by laser filamentation,US patent 9296066

(3)Wu-Jung Tsai et al,Internal modification for cutting transparent glass using femtosecond Bessel beams,Optical Engineering 53(5),051503(May 2014)

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种光学器件，它能使任意特定形状的激光束无损地在光轴方向上聚焦成线状焦斑。这种线状焦斑的功率密度在光轴方向的一定距离(比如0.5mm厚的透明材料)内都可以无限接近常数。如前所述，要使透明与脆性材料自动裂解，需要使高强激光产生的材料内部微裂充满从上表面到下表面，也就是要求激光在材料厚度方向上产生的破坏足够长。而为了保证断面质量，微裂纹的传播需要在光轴方向或者材料的厚度方向，不能任意传播，这就要求激光产生的破坏区域在宽度上要尽可能的窄。综上所述，为使材料高质量的自动断裂，需要的激光的宽度较窄，焦深较长，这与本发明的光学器件的特点完全一致。

本发明的的技术方案为：

一种实现轴向均匀线焦斑的光学器件，为透镜，其特征在于：所述透镜至少有一面为曲面，且任意横向分布的入射光通过所述透镜聚焦后在透镜的光轴上呈现均匀线状焦斑。

一种实现轴向均匀线焦斑的光学器件，为反射镜，其特征在于：所述反射镜为曲面，且任意横向分布的入射光通过所述反射镜聚焦后在反射镜的光轴上呈现均匀线状焦斑。

所述的曲面为非球面。这样保证了均匀线状焦点的形成。

所述透镜的入射面为平面，出射面为曲面，且曲面为非球面。

所述透镜的入射面为曲面，出射面为平面，且曲面为非球面。

所述透镜的入射面和出射面均为曲面，且曲面为非球面。

本发明的原理是根据入射激光束的横场分布，设计与之对应的聚焦光学器件，使入射激光束通过本发明聚焦后，在正常焦点附近相应的轴向范围内激光束功率密度保持不变。