CN113305426A - 一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头，包括光路组件，从左到右依次为激光器、准直扩束镜、凹轴锥透镜和双凸轴锥透镜，扩束镜、凹轴锥透镜、双凸轴锥透镜均位于光轴上，且从左至右相互平行放置。本发明在焦深对焦的过程中简单易行，只需测出凹轴锥透镜与双凸轴锥透镜之间的距离就可以求得焦深所在位置，并且聚焦的贝塞尔光束远离透镜，可以直接对材料进行加工，无需其它透镜对其进行二次聚焦。

Description

一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头

技术领域

本发明涉及一种激光切割技术，特别是一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头。

背景技术

在现有技术中，切割材料的方式主要分为机械切割和激光切割，机械切割的精度比较粗糙只适合大尺寸的工件加工，对于蓝宝石、硅片、玻璃等脆性材料的加工精度远远不能满足需求，如果采用机械切割法加工蓝宝石、硅片、玻璃等脆性材料，后期还需要磨边等操作不能实现脆性材料的一次性切割。激光切割具有高精度、高效率的特点，因此受到了广泛的应用，但是目前的激光切割技术还存在这一些缺陷，在切割脆性材料时，聚焦在材料内部的激光能量分布不均匀导致切割精度的受限。

目前，对于脆性材料的激光切割设备中大多使用多焦点和贝塞尔光束进行切割。激光多焦点切割技术通常是指将激光聚焦的多个焦点在材料内部进行加工，实现较厚脆性材料的加工。相较于激光多焦点切割，采用贝塞尔光束对脆性材料的切割，在材料内部具有更加均匀的温度场分布和能量分布，更适合于脆性材料的加工。

贝塞尔光束垂直于传输方向的横向光强分布由一个中心亮斑和许多同心圆环组成，每个环形所携带的能量几乎是相等的，光强高度集中在中心亮斑，横向光强分布在无衍射传输出距离内保持不变，贝塞尔光束的无衍射传输距离远大于高斯光束的瑞利长度，相比高斯光束具有更长的焦深，材料的深度方向能量分布更加均匀。因此有必要设计一款新型的用于激光切割的贝塞尔光束镜头，以实现更加精密的激光切割技术。

高斯光束经过一个轴锥透镜可以衍射成近场的贝塞尔光束和远场的圆环形光束，在近场的贝塞尔光束紧密挨着透镜，焦深的位置起始于轴锥透镜的顶点不利于对材料的加工，在目前激光切割的贝塞尔镜头设计中，通常采用若干透镜将远场的圆环形光束聚焦在材料内部，其光路调节相对繁琐，对焦深位置的求解过程也相对复杂，不容易实现贝塞尔光束的对焦。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头，包括光路组件，所述光路组件从左到右依次为激光器、准直扩束镜、凹轴锥透镜和双凸轴锥透镜；所述扩束镜、凹轴锥透镜、双凸轴锥透镜均位于光轴上，且从左至右相互平行放置。

所述准直扩束镜为不同倍率的准直扩束镜或可变焦准直扩束镜。

所述凹轴锥透镜设置有入射面和出射面，所述入射面为平面，所述出射面为具有夹角的轴锥面。

所述出射面与水平面的夹角在0度到90度范围内。

所述双凸轴锥透镜设置有第一轴锥面和第二轴锥面，所述第一轴锥面的顶角、第二轴锥面的顶角与出射面的夹角的角度相等。

所述激光器出射激光后，激光依次经过准直扩束镜、凹轴锥透镜和双凸轴锥透镜，在双凸轴锥透镜右侧形成具有一定长度的焦深，所述出射面顶角到所述第一轴锥面顶角距离等于所述第二轴锥面顶角到所述焦深左端点的距离。

本发明的有益效果是：本发明在焦深对焦的过程中简单易行，只需测出凹轴锥透镜与双凸轴锥透镜之间的距离就可以求得焦深所在位置，并且聚焦的贝塞尔光束远离透镜，可以直接对材料进行加工，无需其它透镜对其进行二次聚焦。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构分解示意图；

图2是图1中A处的几何示意图。

具体实施方式

参照图1至图2，一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头，包括光路组件，所述光路组件从左到右依次为激光器1、准直扩束镜2、凹轴锥透镜3和双凸轴锥透镜4；所述扩束镜2、凹轴锥透镜3、双凸轴锥透镜4均位于光轴5上，且从左至右相互平行放置，所述的激光器1不限于超快脉冲激光器和连续激光器，所述激光器1出射激光后，激光依次经过准直扩束镜2、凹轴锥透镜3和双凸轴锥透镜4，在双凸轴锥透镜4右侧形成具有一定长度的焦深10，所述出射面7到所述第一轴锥面8距离等于所述第二轴锥面9到所述焦深10的距离，所述激光为高斯激光光源。

所述准直扩束镜2为不同倍率的准直扩束镜或变焦准直扩束镜任意一种，所述准直扩束镜2可用于对高斯激光束的准直和光束半径展宽，并可以通过准直扩束镜2控制凹轴锥透镜3入射光束的半径，从而控制双凸轴锥透镜4出射贝塞尔光束的焦深10

所述凹轴锥透镜3设置有入射面6和出射面7，所述入射面6为平面，所述出射面7为有一定夹角的轴锥面（这里透镜的厚度不影响最终的聚焦效果，因此对凹轴锥透镜3的厚度不做要求），所述凹轴锥透镜3放置于准直扩束镜2的后方，将高斯激光束衍射成圆环型光束，圆环形光束再入射到所述双凸轴锥透镜4，所述出射面7与垂直水平面的夹角在0度到发生全反射临界角的范围内（一般是90度）。

所述双凸轴锥透镜4设置有第一轴锥面8和第二轴锥面9，所述双凸轴锥透镜4的前后表面相互对称，所述第一轴锥面8的顶角、第二轴锥面9的顶角与出射面7的夹角的角度相等（这里透镜的厚度不影响最终的聚焦效果，因此对双凸轴锥透镜4的厚度不做要求），所述双凸轴锥透镜4放置于凹轴锥透镜3的后方，所述双凸轴锥透镜4将圆环型光束聚焦成贝塞尔光束；其中，改变凹轴锥透镜3入射光束的半径以及两个轴锥透镜锥面的顶角可以改变贝塞尔光束的焦深10，聚焦贝塞尔光束的焦深10位于脆性材料11内部。

如附图2所示，所述准直扩束镜2的出射光束从凹轴锥透镜3的中心垂直入射；所述凹轴锥透镜3出射的圆环光束无偏心的从双凸轴锥透镜4的正中心垂直入射；所述凹轴锥透镜3与双凸轴锥透镜4之间的距离控制在使圆环型光束入射在双凸轴锥透镜4的轴锥面内；所述凹轴锥透镜3与双凸轴锥透镜4之间的距离为b；所述凹轴锥透镜3的轴锥面与垂直水平面的夹角为ɑ，根据几何关系知，在凹轴锥透镜3的轴锥面上，光线的入射角也为ɑ，出射角为β，根据公式计算得β=

，其中n₁为空气折射率，n₂为透镜的折射率；所述凹轴锥透镜3出射光线的孔径角为γ=β-α，求得

，求得的结果由简化的几何图所得；所述聚焦的贝塞尔光束焦深10的长度为L，由公式计算得, L=

，求得的结果由简化的几何图所得。

所述双凸轴锥透镜移动∇x的距离，焦深移动2∇x的距离，所述焦深10的聚焦位置远离双凸轴锥透镜4而不在双凸轴锥透镜4的近场中，焦深10左端点到第二轴锥面9顶角的距离等于凹轴锥透镜3的出射面7顶角到第一轴锥面8顶角的距离，移动所述双凸轴锥透镜的位置不改变焦深的长度，所述聚焦的贝塞尔光束远离双凸轴锥透镜4，可以直接对材料进行加工无需其他透镜对其进行二次聚焦，在对焦的过程中只需知道凹轴锥透镜3与双凸轴锥透镜4之间的距离，就可以准确计算出焦深10所在位置。

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头，包括光路组件，其特征在于所述光路组件从左到右依次为激光器（1）、准直扩束镜（2）、凹轴锥透镜（3）和双凸轴锥透镜（4）；所述扩束镜（2）、凹轴锥透镜（3）、双凸轴锥透镜（4）均位于光轴（5）上，且从左至右相互平行放置。

2.根据权利要求1所述的贝塞尔光束镜头，其特征在于所述准直扩束镜（2）为不同倍率的准直扩束镜或可变焦的准直扩束镜。

3.根据权利要求1所述的贝塞尔光束镜头，其特征在于所述凹轴锥透镜（3）设置有入射面（6）和出射面（7），所述入射面（6）为平面，所述出射面（7）为具有夹角的轴锥面。

4.根据权利要求3所述的光路组件，其特征在于所述出射面（7）与水平面的夹角在0度到90度范围内。

5.根据权利要求3所述的光路组件，其特征在于所述双凸轴锥透镜（4）设置有第一轴锥面（8）和第二轴锥面（9），所述第一轴锥面（8）的顶角、第二轴锥面（9）的顶角与出射面（7）的夹角的角度相等。

6.根据权利要求1所述的光路组件，其特征在于所述激光器（1）出射激光后，激光依次经过准直扩束镜（2）、凹轴锥透镜（3）和双凸轴锥透镜（4），在双凸轴锥透镜（4）右侧形成具有一定长度的焦深（10），所述出射面（7）的顶角到所述第一轴锥面（8）顶角距离等于所述第二轴锥面（9）顶角到所述焦深（10）左端点的距离。

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