一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜

摘要

本发明公开了一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜,包括多环带曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设置；所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴：所述聚焦曲面为球面或非球面。采用单镜片即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光斑峰值功率密度相近。该种镜片装配精度要求一般，对激光束模式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料的切割工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及光学设备领域，具体为一种聚焦获得长焦深贝塞尔高 斯光束新型光学透镜。

背景技术

激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特性进行激光切割、 焊接、表面处理、打孔、微加工等，其中尤以激光切割、打孔、微加 工等工艺对聚焦激光束特性要求相对较高。同等激光功率下，往往须 同时具备聚焦光斑小、焦深长、峰值功率密度高，才能更大限度提升 加工速度与质量。

现如今，激光切割占据激光加工工艺过半市场成为主流，大部分 激光切割光路采用光学性能较好的镜片组合甚至非球面镜。然而，常 规镜片、镜组以及非球面镜获得的聚焦光斑小时，则焦深长度受限； 满足了焦深长度，则光斑较大而峰值功率降低。

轴向多焦点镜片能够一定程度上弥补常规镜片、镜组及非球面镜 的不足，可同时实现聚焦光斑小、焦深较长。缺点是，轴向多焦点镜 片受限于激光束模式组成、入射光束尺寸等多因素，从而影响使用稳 定性和范围。

轴锥透镜能够获得贝塞尔光束，进而实现长焦深小光斑高功率峰 值能量分布。不足的是，轴锥透镜焦深范围内光斑峰值功率密度差异 比较明显，且对机械装配精度要求极高，难以广泛用于工业激光加工 行业。

为改善现有激光切割、打孔、微加工等加工工艺，提高镜片对激 光束模式普适性以及聚焦光斑焦深段内激光束峰值功率稳定性，同时 降低装配精度要求，降低光路镜片数量与复杂度，以适用于一般场合， 本发明提出一种新型透镜，同轴多环带高斯镜，对平行入射光聚焦可 获得贝塞尔高斯光束，聚焦段高能量分布范围光斑小、焦深极长且焦 深范围内光斑峰值功率密度基本一致。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对平行入射光聚焦可获得聚焦光斑 高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深极长且焦深范围内峰 值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束，可用于改善对聚焦光束特性 要求高的激光加工工艺如激光切割、打孔、微加工等，尤其有利于提 高透明材料的激光加工速度与质量，以解决上述背景技术中提出的问 题的技术方案。以克服一般球面镜、球面镜组乃至非球面镜聚焦光斑 小尺寸与长焦深不兼容问题，提高镜片对激光束模式普适性，提高焦 深段内激光束峰值功率稳定性，并降低镜片自身装配精度要求，降低 激光加工光路的镜片数量与复杂度，改善激光切割、打孔、微加工等 对聚焦激光束要求较高的激光加工工艺，提升激光加工速度与质量。

一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束新型光学透镜,包括多环带 曲面和聚焦曲面，所述多环带曲面和聚焦曲面以同轴方式相互叠加设 置；所述多环带曲面上设置有以同心圆结构设置环带，环带表面为球 面或非球面，相邻环带之间设置有环形光轴：所述聚焦曲面为球面或 非球面。

作为优选，环形光轴与镜片中心轴同心并相互平行。

作为优选，镜片正反装配方式均可采用，需平行入射光或近平行 入射光入射，聚焦光斑位置为镜片前后焦点位置，镜片焦距取决于另 一聚焦曲面对应焦距。

作为优选，聚焦光斑总尺寸受激光光束参数影响，主要取决于设 计镜片的聚焦光斑。

作为优选，聚焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带宽度成正 比，与对应环带焦距成反比，与镜片另一聚焦面对应焦距成正比，比 例系数约为1。

作为优选，焦深长度是以聚焦光束中心高功率密度分布区域尺寸 变化来衡量。

作为优选，镜片适用于改善精细激光加工工艺，特别是透明材料 的激光加工工艺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该发明采用单镜片即可 聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极 低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段内光 斑峰值功率密度相近。该种镜片装配精度要求一般，对激光束模式具 有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明材料 的切割工艺。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为环带曲面结构示意图；

图3为本发明剖切面结构示意图；

图4为本发明局部剖切面结构示意图；

图5为同轴多环带高斯镜及虚线所示各环形球面带光轴；

图6为实施例1装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光 示范；

图7为实施例2装配方式，以及虚线所示光束传输过程中的分光 示范；

图8为镜片聚焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯分布剖切图；

图9为镜片聚焦焦深段离焦截面光斑功率平滑拟合贝塞尔高斯 分布剖切图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，本发明提供一种聚焦获得长焦深贝塞尔高斯光束 新型光学透镜,包括多环带曲面2和聚焦曲面1，多环带曲面2和聚 焦曲面1以同轴方式相互叠加设置，多环带曲面2上设置有以同心圆 结构设置环带3，环带3表面为球面或非球面，相邻环带3之间设置 有环形光轴4，聚焦曲面1为球面或非球面。在平行或近平行入射光 下，可获得聚焦光斑高功率密度范围极小，峰值功率密度极高，焦深 极长且焦深范围内峰值功率密度差异很小的贝塞尔高斯光束。考虑到 该种镜片无必要消像差以及镜片加工成本，选用球面方案最佳。本设 计选用球面方案，但涵盖非球面及两者组合。

其中，环形光轴4与镜片中心轴同心并相互平行。镜片正反装配 方式均可采用，需平行入射光或近平行入射光入射，聚焦光斑位置为 镜片前后焦点位置，镜片焦距取决于另一聚焦曲面对应焦距。

并且，聚焦光斑总尺寸受激光光束参数影响，主要取决于设计镜 片的聚焦光斑。焦光斑总尺寸与同轴多环带高斯镜的环带3宽度成正 比，与对应环带3焦距成反比，与镜片另一聚焦面对应焦距成正比， 比例系数约为1。焦深长度是以聚焦光束中心高功率密度分布区域尺 寸变化来衡量。

与此同时，镜片适用于改善精细激光加工工艺，特别是透明材料 的激光加工如玻璃切割等工艺。与现有技术相比，该发明采用单镜片 即可聚焦获得贝塞尔高斯光束，形成中心范围能量分布极高，边缘分 布极低聚焦光束段，其高功率密度范围光斑极小，焦深极长，焦深段 内光斑峰值功率密度相近。该种镜片装配精度要求一般，对激光束模 式具有较广的普适性，可改善并提高激光精细加工工艺，特别是透明 材料的切割工艺。

通过镜片多环曲面带对平行或近平行入射光束进行环带分割，再 由另一曲面聚焦成环带光束；或者是，平行或近平行入射光通过镜片 曲面聚焦收缩，再由另一具有多环曲面带的镜面变换成环带聚焦光束。 环带光束交错叠加在焦平面上，形成一定尺寸大小的光斑，由于每个 环带光束均有一个能量环聚焦到光轴焦点上，从而大大提高聚焦光斑 中心能量分布，降低边缘能量分布，结合光束的交错效应，进而获得 贝塞尔高斯光束。

其中，同轴多环带高斯镜环形曲面带为球面环带或非球面环带， 另一曲面也可以用球面或非球面。鉴于镜片无需刻意消像差，且为降 低成本，镜片一面选用球面环带，另一面为球面最佳。

实施例1

同轴多环带高斯镜的环带呈现等间距，环带3宽度为T，利于提 高镜片在不同激光模式下的稳定性，每个环带3均为球面环带，球面 半径相等均为R0，另一球面半径为R1。镜片直径取决于入射光斑尺 寸。

如图6所示，以圆形平行或近平行光入射为例，D为聚焦光斑总 直径，BFL1、BFL2分别对应相应装配方式下，球面半径R1和镜片厚 度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光斑直径D与球面半径 R1及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成反比，理论比例系数 约为1。如图8可见，镜片聚焦光斑总直径为D，实际可用高功率密 度分布的光斑直径约为d，d远小于聚焦光斑总直径D。

实施例2

由于镜片可正反装配，如图7所示，以圆形平行或近平行光入射 为例，D为聚焦光斑总直径，BFL1、BFL2分别对应相应装配方式下， 球面半径R1和镜片厚度以及折射率所形成的后焦距。其中，聚焦光 斑直径D与球面半径R1及环带宽度T成正比，与环带3球面半径成 反比，理论比例系数约为1。由图9可见的镜片焦深段任意截面光斑 总直径为D1，D1随着离焦距离的增大而增大，实际可用高功率密度 分布光斑直径d基本不变。在焦深段内，聚焦光斑峰值功率密度差异 不大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术 人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这 些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权 利要求及其等同物限定。