[发明专利]一种贝塞尔激光加工头焦深检测系统及方法

说明书

本发明涉及激光加工领域，公开了一种贝塞尔激光加工头焦深检测系统及方法。该检测系统包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扩束镜、双远心放大光学系统和光束质量分析仪；待测贝塞尔激光加工头位于扩束镜和双远心放大光学系统之间；通过双远心放大光学系统将贝塞尔加工头输出光束进行放大，达到光束质量分析仪显示的有效像素数后测量焦深长度，解决了贝塞尔光加工头输出光束的中心主瓣直径过小而难以被光束质量分析仪直接有效探测的问题。通过使用该方法，可以准确、有效测量贝塞尔光加工头的焦深长度，为贝塞尔光加工头焦深长度的检测提供了检测手段和参考。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种贝塞尔激光加工头焦深检测系统及方法。

背景技术

近些年来，作为加工大深径比孔的理想光束-贝塞尔光束，由于其相比于高斯光束具有更长的焦深，并结合超快激光技术形成的贝塞尔激光加工头受到了激光加工行业的广泛关注。贝塞尔光束是一种无衍射光束，通常是由高斯光束经过一个锥透镜整形后产生，产生示意图如图1所示。图1中，r表示入射高斯光束的半径，α表示锥透镜的底角，Z表示贝塞尔光束的无衍射区域长度(即焦深长度)，D₀表示贝塞尔光束的中心主瓣直径，它们之间的关系如下：

D₀＝2.405×λ/(π×sin((n-10×α)) (1)

Z＝r/tan((n-1)×α) (2)

式中λ表示入射的激光波长，n表示锥透镜所用材料的折射率。由图1中(b)可以看出，贝塞尔光束的光强集中分布在中心主瓣，并且在无衍射传输距离内，中心主瓣大小和横向光强分布几乎保持不变，因此在激光加工应用中，利用贝塞尔光加工可以有效降低调焦精度、提升加工的动态范围。

然而，利用锥透镜直接产生的贝塞尔光束一般中心主瓣直径较大，能量密度较低，不能直接用于激光加工，所以通常在贝塞尔激光加工头中需要利用一个缩束系统对贝塞尔光束进行缩束。缩束系统通常由一个焦距为f₁的透镜L₁和一个等效焦距为f₂的物镜L₂组成，其中f₁＞f₂，图2即为常见的贝塞尔激光加工头的光路原理图，缩束后的贝塞尔光中心主瓣直径D₀′及无衍射区域长度Z′为：(β为横向放大率，β²为轴向放大率，其中β＝f₁/f₂)

D₀′＝D₀/β (3)

Z′＝Z/β² (4)

一般而言，利用上述公式计算得到的贝塞尔激光加工头输出光束的中心主瓣直径D₀′和无衍射传输距离Z′的理论值分别是几微米和毫米量级。为了确切的知道某一贝塞尔激光加工头的中心主瓣直径大小、无衍射传输距离远近，往往需要对加工头的参数进行实际检测。通常选用光束质量分析仪探测贝塞尔光束中心主瓣，然后进一步测量无衍射传输距离即贝塞尔激光加工头焦深。由于常用的光束质量分析仪的像元间距一般为几微米，用其直接观察贝塞尔光束中心主瓣时，很难达到有效像素数的要求，导致中心主瓣探测不准确，从而影响贝塞尔激光加工头焦深长度的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种贝塞尔激光加工头焦深检测系统及方法，旨在解决利用光束质量分析仪直接探测贝塞尔激光加工头输出光束时，由于有效像素数低导致测量不准确的问题。

本发明的技术方案是提供一种贝塞尔激光加工头焦深检测系统，其特殊之处在于，包括激光器及依次位于激光器出射光路中的扩束镜、双远心放大光学系统和光束质量分析仪；待测贝塞尔激光加工头位于扩束镜和双远心放大光学系统之间；

激光器用于提供激光束；

扩束镜用于将激光束扩束后透射至待测贝塞尔激光加工头；