CN114077066B - 扩束准直器 - Google Patents

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Abstract

本申请适用于激光光束整形技术领域，提出一种扩束准直器，包括依次设置的光纤、球面透镜、整形晶体组、双凹透镜、平凸透镜；所述整形晶体组包括依次设置的第一双折射晶体、半波片和第二双折射晶体，所述第一双折射晶体靠近所述光纤一端，所述的第一双折射晶体为光轴前向45°的双折射晶体，所述半波片为光轴右向22.5°的半波片，所述第二双折射晶体为光轴右向45°的双折射晶体；本发明针对在先技术中激光束高斯分布能量不均匀、效率低下的问题作出改进，将激光束***成若干个能量相等等距排列的激光束，达到光束平顶化的效果，从而使激光束的能量分布均匀，提高激光加工的效率。

Description

扩束准直器
技术领域
本发明涉及激光光束整形技术领域，特别涉及一种扩束准直器。
背景技术
激光作为一种先进的加工工具，在工业生产中发挥着举足轻重的作用，随着全球工业的发展，激光加工技术的应用领域越来越多，从材料加工到汽车生产，再到3D打印等新兴产业。比如在航空发动机制造/汽车发动机核心器件加工、动力电磁极耳切割、微电子/精密轴承/精密刀具等高精度、微小器件的加工和制造、金属表面锈蚀清洗、工艺品微雕，等等。
激光发射的光束通常呈高斯分布，高斯分布的激光能量在一些大面积应用中存在不均匀、效率低下等缺点。例如，在激光清洗应用中，高斯分布的能量在清洗时中间能量集中、周围能量渐弱，导致清洗时光束中间区域清洗过深、而周边清洗过浅这种问题。所以，将激光束高斯分布转变为具有均匀光强分布的光束是在先技术中急需解决的问题。
目前，比较流行的研究方案是衍射光学元件(Diffractive optical elements,DOE)方案，该方案是利用衍射元件阵列改变输入光束的相位，从而得到所需要的光强分布。该方案对激光束进行整形是一种理想的选择方案，但是目前存在的问题是衍射元件阵列精度要求很高、制作复杂，所以目前该方案制作成本太高，不便于推广应用。
发明内容
针对上述情况，本发明提供了一种扩束准直器，有效解决了在先技术中激光束高斯分布能量不均匀、效率低下的问题。
本申请实施例提出一种扩束准直器，包括沿所述光纤射出的激光束的光路方向依次设置的光纤、球面透镜、整形晶体组、双凹透镜、平凸透镜；
所述整形晶体组包括依次设置的第一双折射晶体、半波片和第二双折射晶体，所述第一双折射晶体靠近所述光纤一端，所述的第一双折射晶体为光轴前向45°的双折射晶体，所述半波片为光轴右向22.5°的半波片，所述第二双折射晶体为光轴右向45°的双折射晶体。
在一实施例中，所述光纤发射的激光束经过所述第一双折射晶体后分离出o1光和e1光两束光，所述o1光和所述e1光之间分开的角度表达式为：
其中θ为光轴和输入光之间的角度，no和ne分别是所述第一双折射晶体组寻常光和非寻常光的折射率，所述o1光和所述e1光分开的间距表达式为：
其中其中L为所述第一双折射晶体的厚度。
在一实施例中，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体采用寻常光折射率和非寻常光折射率差值大于0.15的材质。
在一实施例中，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体均为钒酸钇晶体。
在一实施例中，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体的寻常光折射率为1.957159且非寻常光折射率为2.155721，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体的光轴角度为45°。
在一实施例中，当所述o1光和所述e1光之间分开的间距为0.18mm时，所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体的厚度为1.87mm。
在一实施例中，经过所述球面透镜的激光光束在经过所述第一双折射晶体后分为e1光和o1光，所述e1光和所述o1光的偏振方向分别为垂直方向和水平方向；
所述e1光和所述o1光在经过所述半波片后的偏振方向均逆时针旋转45°并称为e2光和o2光；
所述e2光经过所述第二双折射晶体后分为e21光和e22光；
所述o2光经过所述第二双折射晶体后分为o21光和o22光。
在一实施例中，经过所述平凸透镜后产生的光束为中间区域光斑能量分布均匀的类正方形平顶光束。
在一实施例中，所述球面透镜、所述第一双折射晶体、所述半波片、所述第二双折射晶体、所述双凹透镜、所述平凸透镜的焦点均位于同一水平线上。
在一实施例中，还包括尾套和扩束镜筒，所述尾套固定于所述扩束镜筒一端；
尾套，所述尾套内依次固定有准直器外封和晶体固定座，所述晶体固定座靠近所述扩束镜筒，所述球面透镜固定于所述准直器外封，所述整形晶体组固定于所述晶体固定座；
扩束镜筒：所述扩束镜筒内依次固定有凹透镜座和所述平凸透镜，所述凹透镜座靠近所述尾套，所述双凹透镜固定于所述凹透镜座。
本发明针对在先技术中激光束高斯分布能量不均匀、效率低下的问题作出改进，通过第一双折射晶体、半波片和第二双折射晶体配合分别对光纤射出的激光束进行扩束、偏振、再扩束并最终获得方形平顶激光束，即将一束激光束***成若干个能量相等的激光束，以此实现激光束平顶化的效果，使激光束的能量分布均匀，提高激光加工的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的扩束准直器剖视示意图。
图2为图1所示的扩束准直器的结构原理示意图。
图3为图1所示的扩束准直器中激光经过第一双折射晶体的原理示意图。
图4为图1所示的扩束准直器中激光经过半波片的原理示意图。
图5为图1所示的扩束准直器激光经过第二双折射晶体的原理示意图。
图6a-图9b为图1所示的扩束准直器将一束光***为四束光后逐渐分离不同间距的效果示意图。
图10为传统激光束高斯分布形成的光斑示意图。
图11为图1所示的扩束准直器将激光束整形后的光斑示意图。
图中标记的含义为：
1、光纤；2、球面透镜；
3、整形晶体组；31、第一双折射晶体；32、半波片；33、第二双折射晶体；
4、双凹透镜；5、平凸透镜；
6、外壳；61、尾套；611、准直器外封；612、晶体固定座；62、扩束镜筒；621、凸透镜座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图即实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
还需说明的是，本申请实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本申请实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。
为了说明本发明技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。
参考图1、图2，本申请实施例提出一种扩束准直器，设置于光纤激光器的输出终端处，用于将激光束平顶化，从而使激光束的能量更加均匀，提高效率。
扩束准直器包括沿所述光纤1射出的激光束的光路方向依次设置的光纤1、球面透镜2、整形晶体组3、双凹透镜4、平凸透镜5，光纤1即为常见光纤，光纤1的输出端射出的激光束射入本扩束准直器，具体的，光纤1传输的激光束经过经过球面透镜2后输出高斯分布的激光束，后该激光束依次经过整形晶体组3、双凹透镜4、平凸透镜5，并最终射出平顶化的激光束。
球面透镜2，其从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率，为激光束进入扩束准直器后经过的第一个透镜，该设置为在先技术中扩束准直器的常用设置，
整形晶体组3，整形晶体组3包括沿激光束的光路方向依次设置的第一双折射晶体31、半波片32和第二双折射晶体33，第一双折射晶体31和第二双折射晶体33为常见的双折射晶体，其将射入的一束激光折射为两束激光，半波片32即为常见的半波片32，激光经过半波片32后会出现相位差。
第一双折射晶体31靠近光纤1一端，第一双折射晶体31为光轴前向45°的双折射晶体，半波片32为光轴右向22.5°的半波片，第二双折射晶体33为光轴右向45°的双折射晶体，激光束在经过第一双折射晶体31后分为两束光，之后经过半波片32后两束光偏振方向偏转，在经过第二双折射晶体33后分为四束光，因第一双折射晶体31和第二双折射晶体33厚度相同，所以四束光最终形成类正方向光束。
双凹透镜4，包括相对设置的凹面，激光自该双凹透镜4一凹面射入并从另一凹面射出，用于对射入的激光扩束。
平凸透镜5，包括相对设置的平齐面和凸面，平齐面朝向双凹透镜4，激光自该平凸透镜5平齐面射入并从凸面射出，用于将射入的点光源激光转化为平行光束。
本实施例在具体使用时，光纤1射出的激光束先经过球面透镜2，在球面透镜2的作用下将激光束聚焦并射入整形晶体组3，激光束经第一双折射晶体31折射出两束光，后该两束光经半波片32改变偏振方向，后该两束光经第二双折射晶体33射出四束光，最终经平凸透镜5转化为平行光束并形成平顶光束。
参考图1至图3，在一实施例中，光纤1发射的激光束经过第一双折射晶体31后分离出o1光和e1光两束光，o1光即为寻常光，e1光即为分寻常光，在激光束经过第一双折射晶体31后分为上下两束光且分别为o1光和e1光，且o1光偏振方向为水平方向，e1光的偏振方向和o1光垂直，其中o1光和e1光之间分开的角度表达式为：
其中θ为光轴和输入光之间的角度，no和ne分别是双折射晶体寻常光和非寻常光的折射率。
两束光分开的间距表达式如下：
其中L为第一双折射晶体31的厚度，两束光为o1光和e1光，经第一双折射晶体31折射后出现的o1光和e1光为互相平行的两束光，d即为o1光和e1光之间的距离。
参考图5，进一步的，o1光和e1光在第二双折射晶体33后分开的间距也依照上述公式计算。
进一步的，第一双折射晶体31和第二双折射晶体33厚度相同。
本实施例提供了一种计算o1光和e1光分开间距的方法，使用者在制造时可根据对整形后光斑的大小需求加工选择第一双折射晶体31和第二双折射晶体33的厚度。
在一实施例中，第一双折射晶体31和第二双折射晶体33均为钒酸钇晶体，钒酸钇晶体透光范围宽、透过率高、双折射系数大，且钒酸钇晶体易于加工，作为第一双折射晶体31和第二双折射晶体33能够更好的达到扩束效果。
参考图3、图4、图5，进一步的，第一双折射晶体31和第二双折射晶体33的寻常光折射率为1.957159且非寻常光折射率为2.155721，第一双折射晶体31和第二双折射晶体33的光轴角度为45°，在该设置下，光纤1发出的激光在射入第一双折射晶体31后，折射出两束相互平行的o1光和e1光，之后o1光和e1光射入第二双折射晶体33并设置出互相平行的o21光、o22光、e21光、e22光四束光并形成方形的平顶光斑。
在一实施例中，球面透镜2、第一双折射晶体31、半波片32、第二双折射晶体33、双凹透镜4、平凸透镜5的焦点均位于同一水平线上，且光纤1的轴线同时穿过上述各个透镜的焦点，该设置使得激光束在经过球面透镜2、第一双折射晶体31、半波片32、第二双折射晶体33、双凹透镜4、平凸透镜5时均能从焦点射入，保证了最终形成的方形平顶光斑和光纤1平行而不会从一旁射出。
参考图1，在一实施例中，扩束准直器还包括尾套61和扩束镜筒62，尾套61固定于扩束镜筒62一端，尾套61和扩束镜筒62均为中空前后通透的圆筒状结构，尾套61同轴固定于扩束镜筒62一端，光纤1射出的激光束经尾套61后射入扩束镜筒62并最终射出，尾套61和扩束镜筒62用于为球面透镜2、第一双折射晶体31、半波片32、第二双折射晶体33、双凹透镜4、平凸透镜5提供固定基础。
尾套61内依次固定有准直器外封611和晶体固定座612，准直器外封611靠近光纤1，准直器外封611为中空前后通透的筒状结构，准直器外封611和尾套61同轴，球面透镜2固定于准直器外封611内，球面透镜2和准直器外封611同轴。
晶体固定座612为中空前后通透的筒状结构，晶体固定座612和尾套61同轴，整形晶体组3固定于晶体固定座612内，第一双折射晶体31、半波片32、第二双折射晶体33的中心点均位于晶体固定座612的轴线上。
扩束镜筒62内依次固定有凹透镜座621和平凸透镜5，凹透镜座621靠近尾套61，凹透镜座621为中空前后通透的筒状结构，双凹透镜4固定于凹透镜座621内，凹透镜座621和扩束镜筒62同轴，双凹透镜4的焦点位于凹透镜座621的轴线上。
平凸透镜5距双凹透镜4较远，平凸透镜5和双凹透镜4焦点之间的距离决定了最终形成的方形平顶光斑的大小，使用者可根据需求调整平凸透镜5和双凹凸镜之间的距离。
参考图6a至图9b，在一实施例中提供了利用仿真软件模拟的一束激光束***为四束激光束后逐渐分离的不同间距的效果，经第一双折射晶体31和第二双折射晶体33的扩束折射后，最终射出的光束呈方形平顶状态。
其中，图6a、图7a、图8a、图9a中的水平面代表光斑直径，纵轴代表光的强度；图6b、图7b、图8b、图9b中的横轴代表光斑直径，纵轴代表光的强度。
图6a和图6b展示了一束光时激光强度和光斑直径之间的关系，其中图6a为三维仿真图，图6b为光斑直径和光的强度关系示意图，其也是图6a中立体图的剖面图，其对应了本申请中光纤1射出的激光中的激光强度分布，在该图中，激光能量高度集中，且靠近激光束中央部位处激光强度高，随着激光直径的增加，光的强度快速衰减。
图7a和图7b、图8a和图8b展示了两束光时激光强度和光斑直径之间的关系，其中图7a、图8a为三维仿真图，图7b、图8b为光斑直径和光的强度关系示意图，其也分别是图7a、图8a中立体图的剖面图，其对应了本申请中激光束经第一双折射晶体扩束后的激光能量分布情况，在该阶段，激光束中央部位的强度有所分散，随着激光光束直径的增加，光的强度小幅度衰减，在激光光束直径扩大至靠近激光束边缘时出现快速衰减，在该阶段，激光束的强度已经初步实现均匀分布，激光束中央部位的高强度区域扩大，但激光束中央部位的能量分布不够稳定，且分布不规律。
图9a和图9b展示了四束光时激光强度和光斑直径之间的关系，其中图9a为三维仿真图，图9b为光斑直径和光的强度关系示意图，其也是图9a中立体图的剖面图，其对应了本申请中激光束经第二双折射晶体扩束后的激光能量分布情况，在该阶段，激光束的整形扩束完成，形成分布规律的平顶激光束，该激光束围绕中央位置存在四个强度高的点，而四个高强度点之间的激光束中央位置衰减较小且强度较高，同时相邻两个高强度点之间的能量衰减同样较小，相较于图8b中的曲线，该阶段中随着激光束直径的变化，光的强度衰减进一步减小，直至激光束直径到达激光束边缘时激光束强度出现快速衰减，在该阶段，激光束强度分布均匀、规律且高强度区域大。
参考图10，图10中展示了传统标准圆形光斑的能量分布，在和传统标准圆形光斑中，光斑的圆心区域能量较高且集中，光斑远离圆心处能量快速衰减，能量分布不均匀且集中在圆心区域。
参考图11，图11中展示了经本装置整形后的方形平顶光斑，和传统标准圆形光斑相比，方形平顶光斑中央区域光斑能量分布更加均匀，且中央高能量区域面积更大，光斑四周能量降低区域面积较小，即方形平顶光斑能量分布更均匀。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种扩束准直器，其特征在于，包括依次设置的光纤(1)、球面透镜(2)、整形晶体组(3)、双凹透镜(4)及平凸透镜(5)；
所述整形晶体组(3)包括沿所述光纤(1)射出的激光束的光路方向依次设置的第一双折射晶体(31)、半波片(32)和第二双折射晶体(33)，所述第一双折射晶体(31)位于所述整形晶体组(3)靠近所述光纤(1)的一端，所述的第一双折射晶体(31)为光轴前向45°的双折射晶体，所述半波片(32)为光轴右向22.5°的半波片，所述第二双折射晶体(33)为光轴右向45°的双折射晶体；
所述光纤(1)发射的激光束经过所述第一双折射晶体(31)后分离出o1光和e1光两束光，所述o1光和所述e1光之间分开的角度表达式为：
其中θ为光轴和输入光之间的角度，no和ne分别是所述第一双折射晶体(31)寻常光和非寻常光的折射率，所述o1光和所述e1光分开的间距表达式为：
其中L为所述第一双折射晶体(31)的厚度。
2.根据权利要求1所述的扩束准直器，其特征在于，所述第一双折射晶体(31)和所述第二双折射晶体(33)采用寻常光折射率和非寻常光折射率差值大于0.15的材质。
3.根据权利要求2所述的扩束准直器，其特征在于，所述第一双折射晶体(31)和所述第二双折射晶体(33)均为钒酸钇晶体。
4.根据权利要求3所述的扩束准直器，其特征在于，所述第一双折射晶体(31)和所述第二双折射晶体(33)的寻常光折射率为1.957159且非寻常光折射率为2.155721，所述第一双折射晶体(31)和所述第二双折射晶体(33)的光轴角度为45°。
5.根据权利要求3所述的扩束准直器，其特征在于，当所述o1光和所述e1光之间分开的间距为0.18mm时，所述第一双折射晶体(31)和所述第二双折射晶体(33)的厚度为1.87mm。
6.根据权利要求1所述的扩束准直器，其特征在于，经过所述球面透镜(2)的激光光束在经过所述第一双折射晶体(31)后分为e1光和o1光，所述e1光和所述o1光的偏振方向分别为垂直方向和水平方向；
所述e1光和所述o1光在经过所述半波片(32)后的偏振方向均逆时针旋转45°并成为e2光和o2光；
所述e2光经过所述第二双折射晶体(33)后分为e21光和e22光；
所述o2光经过所述第二双折射晶体(33)后分为o21光和o22光。
7.根据权利要求6所述的扩束准直器，其特征在于，经过所述平凸透镜(5)后产生的光束为中间区域光斑能量分布均匀的类正方形平顶光束。
8.根据权利要求1所述的扩束准直器，其特征在于，所述球面透镜(2)、所述第一双折射晶体(31)、所述半波片(32)、所述第二双折射晶体(33)、所述双凹透镜(4)、所述平凸透镜(5)的中心点均位于同一水平线上。
9.根据权利要求1或8所述的扩束准直器，其特征在于，还包括尾套(61)和扩束镜筒(62)，所述尾套(61)固定于所述扩束镜筒(62)一端；
所述尾套(61)内依次固定有准直器外封(611)和晶体固定座(612)，所述晶体固定座(612)靠近所述扩束镜筒(62)，所述球面透镜(2)固定于所述准直器外封(611)，所述整形晶体组(3)固定于所述晶体固定座(612)；
所述扩束镜筒(62)内依次固定有凹透镜座(621)和所述平凸透镜(5)，所述凹透镜座(621)靠近所述尾套(61)，所述双凹透镜(4)固定于所述凹透镜座(621)。
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