CN110018565B - 一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置，解决了超快激光聚焦过程中因常见自聚焦效应易引起光束发散角增大而导致聚焦光斑大于聚焦理论值的问题。本发明通过超快激光光束的扩展准直以及限制激光边缘能量的方式，消除激光束发散角增大现象，并通过等光程非球面透镜设计得到直径尺寸可到5μm以下的聚焦光斑，为超快激光精细加工，特别是微米尺度精细加工，提供有效保障。

Description

一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光光束聚焦领域，尤其涉及一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置。
背景技术
激光加工具有高能量、非接触式加工等优势，已在加工领域得到了广泛应用，但为了实现激光加工的高效率、高精度指标，在保证激光功率的条件下缩小激光光斑尺寸成为激光加工的先决条件。
根据激光束透镜聚焦公式θ＝Dm/f可知，当焦距f一定时，激光束半径Dm与发散角θ成正比，故要实现激光聚焦尺寸的减小，就要减小发散角。但在高峰值功率超快激光聚焦条件下，自聚焦效应会增大介质的折射率使光束提前汇聚，从而增大光束发散角导致聚焦光斑大于理论光斑。中国发明专利201210534021.2通过利用两个光强探测器装置分别采集激光光束的近场光强与远场光强分布信息，结合光强分布信息、评价函数闭环控制提高激光光束聚焦能力，该方法在聚焦过程中需要多次提取光强分布信息并进行补偿运算，不涉及激光聚焦尺寸。中国发明专利201010017159.6利用反射镜的反射和聚焦镜的聚焦，把激光束的光斑沿径向方向进行内外位置的调制并聚焦，该方法改变了光束的空间分布，环形光在激光加工应用中可适用范围有限，不具有普适性，特别是超快激光往往在微米尺度的高精加工范畴。中国发明专利200910154784.2提供了一种激光聚焦装置，是利用强激光在高阶非线性介质中的自聚焦效应，实现激光的聚焦，该专利所实现聚焦的必要条件是激光功率密度大于等于100KW/cm2，且仅适用于可以激发产生自聚焦效应的高阶非线性介质，光斑中心的功率密度不可控。本发明公开了一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置，解决了超快激光聚焦过程中因常见自聚焦效应易引起光束发散角增大而导致聚焦光斑大于聚焦理论值的问题。本发明通过超快激光光束的扩展准直以及限制激光边缘能量的方式，消除激光束发散角增大现象，并通过等光程非球面透镜设计得到直径尺寸可到5μm以下的聚焦光斑，为超快激光精细加工，特别是微米尺度精细加工，提供有效保障。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种提高超快激光光束聚焦能力的方法，其特征在于，包括：
步骤1、对原始激光束进行几何光学优化，得到直径扩展，发散角减小光束的同时，降低激光功率密度，避免光束产生自聚焦效应引起的发散角增大现象；
步骤2、根据扩展光束的能量分布，对扩展光束边缘能量进行屏蔽，消除边缘激光诱导自聚焦效应引起的发散角增大现象，同时减小沿激光传播方向上的球差；
步骤3、将激光束在等光程非球面透镜条件下聚焦，减小聚焦平面上的像散得到聚焦光斑。
一种提高超快激光光束聚焦能力的装置，该装置沿入射光束的传输方向依次共轴设置几何光学模块、光阑模块、聚焦模块，其特征在于，几何光学模块由一个同轴的凹透镜和凸透镜组成；光阑模块由一个根据激光能量分布设计的孔径光阑构成；聚焦模块由一面非球面透镜构成。
如所述的一种提高超快激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，对于几何光学模块，凸透镜焦距长度大于凹透镜焦距长度，凸透镜和凹透镜间隔距离等于凹透镜的焦距长度。
如所述的一种提高超快激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，对于光阑模块，光阑入瞳直径等于扩束激光总能量1/e2倍的光斑直径，其中e为自然常数。
如所述的一种提高超快激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，对于聚焦模块，利用等光程条件，采用阻尼最小二乘法对非球面透镜进行闭环优化，获得光斑尺寸可小于5μm的高聚焦效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
解决现有超快激光聚焦过程中因常见自聚焦效应易引起光束发散角增大而导致聚焦光斑大于聚焦理论值的问题。本发明通过激光空间整形的方法减小发散角的同时，减小了激光光束的球差和像散，提高了超快激光束的聚焦能力，可将光斑聚焦到直径5μm以下。在低功率损失的情况下，有效延长几何光学模块及聚焦模块在高峰值功率超快激光下的工作时间。
附图说明
图1为超快激光聚焦装置图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
为解决现有超快激光聚焦过程中因常见自聚焦效应易引起光束发散角增大而导致聚焦光斑大于聚焦理论值的问题。本发明公开了一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置，通过激光空间整形的方法减小了超快激光束的发散角，提高了超快激光光束的聚焦能力。
其具体包括：
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
步骤1、从激光源发射出的峰值功率500KW、直径2mm的激光束A(峰值功率密度159.15KW/mm2)首先经过由一个同轨凹透镜L1和凸透镜L2组成的几何光学模块得到光束B。
设定凸透镜焦距长度为凹透镜焦距长度的2倍，凸透镜和凹透镜间隔距离等于凹透镜的焦距长度。由扩束倍率M＝F2/F1＝θ/θ″(F2为凸透镜焦距，F1为凹透镜焦距，θ为入射光束发散角，θ″为出射光束发散角)可知，扩束后的光束直径放大了2倍，发散角缩小了2倍。在峰值功率不变的情况下，相应的峰值功率密度缩小了4倍，避免了光束产生自聚焦效应引起的发散角增大现象。
步骤2、依据激光能量分布公式I(r)＝I0exp(-2r2/w2)，其中，I0为激光总能量，w为激光束光斑半径，r为相应激光能量I处的激光半径。光阑入瞳直径等于扩展激光总能量1/e2倍的光斑直径，对激光束边缘能量进行屏蔽，可以有效消除边缘激光诱导自聚焦效应引起的发散角增大现象，同时减小沿激光传播方向上的球差；计算功率下降到光束A功率1e2倍的直径r0＝1.08mm。设计圆形孔径光阑M，光阑入瞳直径为r0。使光束B通过光阑，得到能量调节后的光束C。
步骤3、根据光束C的光斑尺寸，利用等光程条件，基于Z＝cr2/(1+(1-(1+K)c2r2)1/2)+A4r4+A6r6+A8r8非球面聚焦透镜曲率方程，采用阻尼最小二乘法对非球面透镜进行闭环优化，其中r为入射进非球面聚焦镜的光束半径，c为曲面在中心处的曲率，取值0.037；K为非球面系数，取值0.32285；Ai为对面形进行修正的多项式系数，A4＝-5.423×10-6，A6＝-1.122×10-8，A8＝-4.766×10-12。在减小像散及低功率损失的情况下，进一步聚焦光斑尺寸。非球面镜的焦距为100μm，此时高斯光束束腰距离非球面透镜的距离l为18000μm,此时l＞＞f，则根据光斑公式r1＝Fr0/l可知，得到的聚焦光斑直径为3μm。假定聚焦镜的焦距及高斯光束束腰距离透镜的距离不变，常规聚焦得到的光斑直径为22μm。
本发明公开了一种提高超快激光光束聚焦能力的方法和装置，解决了超快激光聚焦过程中因常见自聚焦效应易引起光束发散角增大而导致聚焦光斑大于聚焦理论值的问题。本发明通过超快激光光束的扩展准直以及限制激光边缘能量的方式，消除激光束发散角增大现象，并通过等光程非球面透镜设计得到直径尺寸可到5μm以下的聚焦光斑，为超快激光精细加工，特别是微米尺度精细加工，提供有效保障。在低功率损失的情况下，有效延长几何光学模块及聚焦模块在高峰值功率超快激光下的工作时间。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高超快激光光束聚焦能力的方法，其特征在于，该方法所用装置沿入射光束的传输方向依次共轴设置几何光学模块、光阑模块、聚焦模块，几何光学模块由一个同轴的凹透镜和凸透镜组成；光阑模块由一个根据激光能量分布设计的孔径光阑构成；聚焦模块由一面非球面透镜构成；
对于几何光学模块，凸透镜焦距长度大于凹透镜焦距长度，凸透镜和凹透镜间隔距离等于凹透镜的焦距长度；
对于光阑模块，光阑入瞳直径等于扩束激光总能量1/e2倍的光斑直径，其中e为自然常数；
对于聚焦模块，利用等光程条件，采用阻尼最小二乘法对非球面透镜进行闭环优化，获得光斑尺寸小于5μm的高聚焦效果；
包括下列步骤：
步骤1、采用几何光学模块，对原始激光束进行几何光学优化，得到直径扩展，发散角减小光束的同时，降低激光功率密度，避免光束产生自聚焦效应引起的发散角增大现象；
步骤2、采用光阑模块，根据扩展光束的能量分布，对扩展光束边缘能量进行屏蔽，消除边缘激光诱导自聚焦效应引起的发散角增大现象，同时减小沿激光传播方向上的球差；
步骤3、采用聚焦模块，将激光束在等光程非球面透镜条件下聚焦，减小聚焦平面上的像散得到聚焦光斑。
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