CN105093538A - 一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用。修正型伽利略式变倍扩束镜，包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2-8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。本发明修正型伽利略式变倍扩束镜，平移距离小，安全性高；可用于10.6um的CO2激光器，通过微调相邻元件的距离，也可用于其它波长或波段范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用，属于光学领域。
背景技术
扩束镜是扩展准直(平行)光(如激光光束)光束大小的一种仪器。扩束镜具有两个主要功能：扩展准直光光束大小及减小光束发散角。如使用同样的聚焦镜，具有较大光束尺寸和较小的发散角的准直光会被聚焦为较小的光斑尺寸。同时，在激光打标、激光焊接等应用方面，会要求***能根据要求改变聚焦光斑的大小来实现不同的打标/焊接粗细度，同时，也要求扩束镜能过变倍以用来矫正由于激光器不同输出状态所带来的光束变化。因此，在这些使用激光处理材料的各种应用中，广泛地使用了能变倍的扩束镜，来实现可变的聚焦光斑及矫正光束变化。
从结构上来说，扩束镜的有两种类型：伽利略式和开普勒式。对于标准的定倍率伽利略式扩束镜，有一个负屈光度的输入元件和一个正屈光度的输出元件。开普勒式的结构则是相反的：它有一个正屈光度的输入元件和一个负屈光度的输出元件。对于变倍扩束镜结构，伽利略式有一个负屈光度的输入元件，中间一个正屈光度的变倍元件和一个正屈光度的准直元件，因需要较大的平移距离，伽利略式只广泛用于放大率变倍比小于2的设计中，变倍比定义为最大放大率与最小放大率的比值；另一方面，可变倍开普勒式的结构，为正屈光度元件输入，中间为负屈光度元件实现变倍，后面的正屈光度元件输出，由于对同样的放大率变倍比，只需要较为短的平移距离，使得开普勒式的结构更适用于变倍比大于2倍的变倍扩束镜。然而，在高功率激光器应用方面，开普勒式扩束镜有一固有缺陷：输入元件具有正屈光度，打在中间元件的光束尺寸远小于输入光的尺寸，较小的激光光束尺寸使得中间元件的表面承受了比输入元件的表面更高的光强强度，使中间的元件容易在客户不知情的情况下被打坏，整个光学***的损伤阈值因此被降低。
关于变倍扩束镜，国内专利方面，2010年由李家英等人公布的2010102077391号专利，及2014年由彭红攀等人发明的201410795058.X号专利，从结构上来说，都是开普勒式，存在损伤阈值低等问题。国际专利方面，由1992年7月28日Cobb在美国的专利No.5,134,523公开了一种伽利略式变倍扩束镜，在结构形式上，Cobb的专利属于传统的伽利略式变倍扩束镜，放大倍率为4.251×-6.79×，放大率变倍比为1.6X，平移距离是97.4mm，存在放大率变倍比小，平移距离大等问题。
综上所述，开发一种能实现较为短的平移距离、内部光束直径又能大于输入光束直径的变倍扩束镜是非常急需的。
发明内容
为了解决现有技术中平移距离大、损伤阈值低等缺陷，本发明提供一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种修正型伽利略式变倍扩束镜，包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2-8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。
上述变倍扩束镜的放大倍率从2×至8×可调；第二透镜和第三透镜作为整体一起移动，第一透镜和第二透镜之间的距离和第三透镜和第四透镜之间的距离随放大倍率相应地移动。
现有的变倍扩束镜的结构通常包含三个元件，并且且第一个元件是正的，这样的结构较为容易设计，并且常有一个较短的平移距离及较短的总长度。然而，具有正屈光度的第一元件的将使入射光束聚焦在扩束镜内部，通常使得内部某镜面上的光束尺寸比入射光束小3～4倍，因此将使这个扩束镜的激光损伤阈值减小了10倍左右。对于使用较低功率激光器的应用，内部的光斑聚焦问题对元件不是问题，然而，当要求的激光器达到某一强度，如激光切割中所需要的，扩束镜的内部元件将有被激光打坏的高风险性，而且从外观无法察觉，大大影响了聚焦光斑的光束质量及强度。
而本申请通过使用负透镜作为第一元件，避免了内部的聚焦问题。与传统的伽利略式扩束镜不同，为缩短平移距离范围也为了减小波前差，在变倍的第二个正透镜之后添加了一个附加的负透镜元件，使得在扩束镜内部的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸，因此保证了内部元件的安全性。而且，该结构的平移距离比传统的伽利略式大为缩短，并且具有良好的扩束质量，适于使用到高功率激光器领域。
为了缩小平移距离、保证放大倍率，第一透镜和第二透镜之间的距离从12.1mm至1.8mm可调；第三透镜和第四透镜之间的距离从81.7mm至131.3mm可调。这样平移距离小于50mm，这使得制造具有高同心度的扩束镜镜座成为可能。
为了进一步提高各元件的安全性，同时保证扩束质量，第一透镜前表面为凹面、曲率为73.44mm，第一透镜后表面为凹面、曲率为37.93mm，第一透镜的中心厚度为3.0mm；第二透镜前表面为凸面、曲率为21.50mm，第二透镜后表面为凹面、曲率为63.40mm，第二透镜的中心厚度为3.0mm；第三透镜前表面为凹面、曲率为301.3mm，第三透镜后表面为凹面、曲率为51.35mm，第三透镜的中心厚度为3.5mm；第四透镜前表面为平面，第四透镜后表面为凸面、曲率为223.48mm，第四透镜的中心厚度为5.0mm，各透镜从前表面到后表面的方向与光束入射方向一致。即本申请从前到后的方向与光束的传播方向一致。
为了进一步保证修正型伽利略式变倍扩束镜的质量，第一透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第二透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成，第三透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第四透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成。
上述修正型伽利略式变倍扩束镜，在放大倍率的可调范围内，输出光束的峰谷波前误差小于0.1波长数。
上述修正型伽利略式变倍扩束镜可用于工作在10.6um的CO2激光器。然而，通过调整第一透镜和第二透镜之间的距离和第三透镜和第四透镜之间的距离，本申请修正型伽利略式变倍扩束镜能工作在从可见到长波红外的其它波长。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明修正型伽利略式变倍扩束镜，放大倍率为2×-8×，变倍比为4，最大移动距离小于50mm，安全性高，使得制造和保持好的偏心率成为可能；可用于10.6um的CO2激光器，通过微调相邻元件的距离，也可用于其它波长或波段范围内。
附图说明
图1为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜在2×放大倍率时的剖面示意图。
图2为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜在5×放大倍率时的剖面示意图。
图3为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜在8×放大倍率时的剖面示意图。
图4为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜对应2×-8×放大倍率的发散角度(mrad)对比图。
图5a为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜不同放大倍率时第一透镜前表面处的入射光束的尺寸示意图。
图5b为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜不同放大倍率时第三透镜前表面处的光束尺寸示意图。
图6a为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜2×放大倍率时的波前图。
图6b为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜5×放大倍率时的波前图。
图6c为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜8×放大倍率时的波前图。
图中，10为第一透镜，11为第一透镜前表面，12为第一透镜后表面，20为第二透镜，21为第二透镜前表面，22为第二透镜后表面，30为第三透镜，31为第三透镜前表面，32为第三透镜后表面，40为第四透镜，41为第四透镜前表面，42为第四透镜后表面。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种修正型伽利略式变倍扩束镜，包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2-8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸，且输出光束的峰谷波前误差小于0.1波长数。
第一透镜和第二透镜之间的距离从12.1mm至1.8mm可调；第三透镜和第四透镜之间的距离从81.7mm至131.3mm可调；
第一透镜前表面为凹面、曲率为73.44mm，第一透镜后表面为凹面、曲率为37.93mm，第一透镜的中心厚度为3.0mm；第二透镜前表面为凸面、曲率为21.50mm，第二透镜后表面为凹面、曲率为63.40mm，第二透镜的中心厚度为3.0mm；第三透镜前表面为凹面、曲率为301.3mm，第三透镜后表面为凹面、曲率为51.35mm，第三透镜的中心厚度为3.5mm；第四透镜前表面为平面，第四透镜后表面为凸面、曲率为223.48mm，第四透镜的中心厚度为5.0mm；
第一透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第二透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成，第三透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第四透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成。
如图1所示，输入光从第一透镜进入扩束镜，第二透镜和第三透镜为变倍元件，第四透镜为准直镜和输出元件，第一透镜和第三透镜具有负的屈光度，第二透镜和第四透镜具有正的屈光度；第二透镜和第三透镜作为整体一起移动，它们之间的距离D2在变倍的过程中是固定的；第一透镜和第二透镜之间的距离定义为D1，第二透镜和第三透镜之间的距离称为D2，第三透镜和第四透镜之间的距离定义为D3，D1和D3是可变参数，随着放大倍率的变化而改变。
图1至图3分别是本实施例在放大倍率为2×、5×、8×时的变倍扩束镜的剖面图：在图1至图3中，不超过4mm的准直光束从扩束镜的左边传输到扩束镜的右边，取决于元件之间的距离，出射光束将分别会是入射光束的2倍，5倍，和8倍，将第一透镜和第二透镜之间的距离定义为D1，第三透镜和第四透镜之间的距离定义为D3，表1为本实施例变倍扩束镜放大倍率为2到8倍时所对应的D1和D3的值，该表格显示D1的变化范围为从2×(指2倍)时的12.1mm到8×时的1.8mm，同时，D3的变化范围为从2×时的81.7mm到8×时的131.3mm，在整个放大倍率范围内，D1的变化范围小于10.5mm，D3的变化范围小于50mm，整体长度的变化范围小于40mm。
表2给出了本实施例中各透镜的技术参数，表中的表面标号指各透镜的前表面和后表面(与图1中的附图标记意义相同)，即11，12表示第一透镜的前、后表面，21，22表示第二透镜的前、后表面，依次类推；在表面类型栏，所有的表面在此都为标准型，这意味着只有球面面型或者平面面型包含在此扩束镜中；曲率半径栏列出八个面的曲率半径，正值的意思是相应的面向光传播的方向弯曲，而负值表示相应的面向光传播的反方向弯曲；厚度栏表示各透镜的中心厚度及相邻两透镜之间的距离，从上到下依次为第一透镜的中心厚度、第一透镜与第二透镜之间的距离、第二透镜的中心厚度、第二透镜和第三透镜之间的距离、第三透镜的中心厚度、第三透镜与第四透镜之间的距离、第四透镜的中心厚度；材料栏表示相应透镜所使用的材料，这里全部是ZnSe；通光口径栏中给出了各个透镜的通光直径，第四透镜的通光口径是40mm，对于4mm入射的8×放大倍率，该值足够用于透过32mm直径的输出光束而不会有任何遮挡。
图4是本实施例变倍扩束镜，在2×-8×不同放大倍率时的光束发散角，该模拟图和理论是一致的，即扩束镜的放大倍率越大，获得的光束发散角越小，光束发散角缩小的比例与放大倍率相同。
由于本实施例中扩束镜中的第二透镜具有正屈光度，使光收敛，内部最小的光束尺寸将位于第三透镜的前表面31。为阐明扩束镜内部的光束尺寸总大于入射光束的尺寸，图5a和图5b分别给出了对应2×至8×入射光光束的尺寸和扩束镜内部的最小光束尺寸；从图5a可见，入射光束的尺寸为常数，即为设置的4mm直径的光束，从图5b可见，在具有扩束镜内部的最小光束的第三透镜的前表面31上，光束尺寸随着放大率增加而增加，所以最小的光束发生在放大率为2×时，但是如该图所示，在第三透镜的前表面31，2×放大率时的光束直径值依然大于4mm，因此证实，对本实施例扩束镜内部的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。
图6a、6b和6c显示了本实施例放大倍率分别为2×、5×和8×时扩束镜输出光束的波前图，在所有放大倍率范围内，波前图波动的峰谷值均小于0.1波长数，这表明本实施例的扩束镜在整个放大倍率范围内都有非常好的扩束质量。上述修正型伽利略式变倍扩束镜可用于工作在10.6um的CO2激光器。然而，通过调整第一透镜和第二透镜之间的距离和第三透镜和第四透镜之间的距离，本申请修正型伽利略式变倍扩束镜能工作在从可见到长波红外的其它波长。
在激光切割/焊接/打标等应用中，准直的激光光束通过一个物镜聚焦在材料表面以用于加工：对一固定焦距的物镜，聚焦的光斑尺寸和准直的激光光束的尺寸成反比，为改变聚焦的光束尺寸，准直的激光光束尺寸也要相应地通过变倍扩束镜改变；随着激光功率变得越来越高，扩束镜里面的内部光束尺寸应不小于入射光束的尺寸，以免在调节放大倍率的过程中产生内部损害，而上述修正型伽利略式变倍扩束镜则将此目标顺利实现。
表1为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜在2×-8×对应不同放大倍率的距离设置表
| 放大倍率 | 2X | 3X | 4X | 5X | 6X | 7X | 8X |
| D1 | 12.1 | 10.4 | 8.7 | 7.0 | 5.3 | 3.5 | 1.8 |
| D3 | 81.7 | 102.7 | 113.5 | 120.1 | 124.6 | 127.9 | 131.3 |
表2为本发明修正型伽利略式变倍扩束镜中透镜元件的设计参数表
| 表面标号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材料 | 通光口径 |
| 11 | 标准 | -73.44 | 3.0 | ZnSe | 12 |
| 12 | 标准 | 37.93 | 变量 | 10 | |
| 21 | 标准 | 21.50 | 3.0 | ZnSe | 12 |
| 22 | 标准 | 63.40 | 29.7 | 12 | |
| 31 | 标准 | -301.30 | 3.5 | ZnSe | 12 |
| 32 | 标准 | 51.35 | 变量 | 10 | |
| 41 | 标准 | 无限大 | 5.0 | ZnSe | 40 |
| 42 | 标准 | -223.48 | 40 |
Claims (7)
1.一种修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2-8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。
2.如权利要求1所述的修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：第一透镜和第二透镜之间的距离从12.1mm至1.8mm可调。
3.如权利要求1或2所述的修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：第三透镜和第四透镜之间的距离从81.7mm至131.3mm可调。
4.如权利要求1或2所述的修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：第一透镜前表面为凹面、曲率为73.44mm，第一透镜后表面为凹面、曲率为37.93mm，第一透镜的中心厚度为3.0mm；第二透镜前表面为凸面、曲率为21.50mm，第二透镜后表面为凹面、曲率为63.40mm，第二透镜的中心厚度为3.0mm；第三透镜前表面为凹面、曲率为301.3mm，第三透镜后表面为凹面、曲率为51.35mm，第三透镜的中心厚度为3.5mm；第四透镜前表面为平面，第四透镜后表面为凸面、曲率为223.48mm，第四透镜的中心厚度为5.0mm，各透镜从前表面到后表面的方向与光束入射方向一致。
5.如权利要求1或2所述的修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：第一透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第二透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成，第三透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成，第四透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成。
6.如权利要求1或2所述的修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：在放大倍率的可调范围内，输出光束的峰谷波前误差小于0.1波长数。
7.权利要求1-6任意一项所述的修正型伽利略式变倍扩束镜的应用，其特征在于：用于工作在10.6um的CO2激光器。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |