RU2797961C1 - Laser beam expander with continuously variable magnification - Google Patents
Laser beam expander with continuously variable magnification Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797961C1 RU2797961C1 RU2023104473A RU2023104473A RU2797961C1 RU 2797961 C1 RU2797961 C1 RU 2797961C1 RU 2023104473 A RU2023104473 A RU 2023104473A RU 2023104473 A RU2023104473 A RU 2023104473A RU 2797961 C1 RU2797961 C1 RU 2797961C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- expander
- component
- lens
- radii
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве расширителя диаметра пучка лазера, используемого в лазерном технологическом оборудовании.The invention relates to the field of laser technology and can be used as a laser beam diameter expander used in laser process equipment.
Лазерное излучение, благодаря таким его особенностям как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и высокая яркость широко используется для лазерной сварки, резки, гравировки и других технологических процессов обработки материалов.Laser radiation, due to its features such as monochromaticity, coherence, low divergence and high brightness, is widely used for laser welding, cutting, engraving and other technological processes of material processing.
Для большинства типов лазеров, используемых в установках характерны небольшие диаметры пучков - порядка 0,5÷2 мм. В то же время, в зоне обработки материала, при решении ряда задач, необходимо сфокусировать излучение в пятно с наименьшим диаметром, либо для того, чтобы создать большую плотность мощности, например, при резке или сварке материала, либо чтобы повысить точность обработки, например, при гравировке материала. Минимальный диаметр пятна δ, в которое можно сфокусировать лазерное излучение теоретически дается известной формулой Рэлея: δ=2.44λƒ/D, где λ - длина волны лазера, ƒ - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного зрачка объектива. Очевидно, что для того, чтобы сфокусировать излучение в пятно малого размера, необходимо увеличивать диаметр входного зрачка объектива D, который должен быть полностью заполнен лазерным излучением, то есть необходимо расширять лазерный пучок. С этой целью применяются расширители или трансфокаторы пучка с постоянным или переменным увеличением.Most types of lasers used in installations are characterized by small beam diameters - about 0.5÷2 mm. At the same time, in the material processing zone, when solving a number of problems, it is necessary to focus the radiation into a spot with the smallest diameter, either in order to create a higher power density, for example, when cutting or welding a material, or to increase the accuracy of processing, for example, when engraving material. The minimum spot diameter δ into which laser radiation can be focused is theoretically given by the well-known Rayleigh formula: δ=2.44λƒ/D, where λ is the laser wavelength, ƒ is the focal length of the objective, and D is the diameter of the entrance pupil of the objective. Obviously, in order to focus the radiation into a small spot, it is necessary to increase the diameter of the entrance pupil of the lens D, which must be completely filled with laser radiation, that is, it is necessary to expand the laser beam. For this purpose, beam expanders or zooms with constant or variable magnification are used.
Известны расширители лазерного пучка U S5305150 A, 19.04.1994, "Laser beam expander: 10х"; US 5329404 A, 12.07.1994, "Laser beam expander: 5x"; CN 101738730 A, 16.06.2010, "Laser beam expander featuring adjustable lens spacing".Known laser beam expanders U S5305150 A, 04/19/1994, "Laser beam expander: 10x"; US 5329404 A, 07/12/1994, "Laser beam expander: 5x"; CN 101738730 A, 06/16/2010, "Laser beam expander featuring adjustable lens spacing".
Общим недостатком перечисленных расширителей является отсутствие возможности изменения диаметра пучка на выходе, что существенно ограничивает диапазон их применения.A common disadvantage of these expanders is the inability to change the beam diameter at the exit, which significantly limits the range of their application.
Известен расширитель лазерного пучка для мощного УФ-лазера [CN 113376844 A, 10.09.2021, "Continuous zoom beam expander suitable for high-power-density ultraviolet laser"], состоящий из трех оптически связанных линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения. Первая и вторая (по ходу луча) линзы плоско-вогнутые, расположены вогнутой поверхностью в сторону лазера, третья линза плоско-выпуклая, расположена плоскостью в сторону лазера. Первая и третья линзы могут перемещаться вдоль оптической оси относительно неподвижной второй линзы для изменения увеличения. Расширитель рассчитан на диаметр входного пучка 0,5÷1 мм и диапазон изменения увеличения 6÷12 крат.Known laser beam expander for a high-power UV laser [CN 113376844 A, 09/10/2021, "Continuous zoom beam expander suitable for high-power-density ultraviolet laser"], consisting of three optically coupled lenses located on the same axis along the incident laser beam radiation. The first and second (along the beam) lenses are plano-concave, located with a concave surface in the direction of the laser, the third lens is plano-convex, located with a plane in the direction of the laser. The first and third lenses can move along the optical axis relative to the fixed second lens to change the magnification. The expander is designed for an input beam diameter of 0.5÷1 mm and a magnification range of 6÷12 times.
Недостатками известного расширителя являются:The disadvantages of the known expander are:
- ограниченный диаметр входного пучка лазерного излучения и ограниченный диапазон изменения увеличений. Так, для пучков с максимальным заявленным диаметром 1 мм оно не превышает 9 крат, а максимальное заявленное увеличение 12 крат реализуется только для диаметра входного пучка до 0,7 мм. Таким образом, максимальный диаметр выходного пучка составляет всего 9 мм. Это обстоятельство ограничивает функциональные возможности лазерного оборудования, оснащенного известным расширителем;- limited diameter of the input beam of laser radiation and a limited range of magnifications. So, for beams with a maximum declared diameter of 1 mm, it does not exceed 9 times, and the maximum declared increase of 12 times is realized only for an input beam diameter of up to 0.7 mm. Thus, the maximum diameter of the output beam is only 9 mm. This circumstance limits the functionality of laser equipment equipped with a known expander;
- возможность возникновения сфокусированного блика в результате отражения от вогнутой поверхности первой линзы, обращенной в сторону лазера, что может привести к нежелательным последствиям;- the possibility of a focused glare as a result of reflection from the concave surface of the first lens facing the laser, which can lead to undesirable consequences;
- большая максимальная длина оптической схемы расширителя - 212,6 мм.- large maximum length of the expander optical circuit - 212.6 mm.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является расширитель лазерного пучка [CN 111283320 А, 16.06.2020, "Laser beam expander and laser processing equipment"]. Расширитель состоит из четырех оптически связанных линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения. Вторая линза может перемещаться вдоль оптической оси относительно первой линзы, а третья и четвертая линзы могут совместно перемещаться относительно второй линзы для обеспечения изменения диаметра лазерного пучка на выходе расширителя. Первая линза - мениск, обращенный выпуклой стороной к лазеру, вторая и третья линзы двояковогнутые, четвертая линза двояковыпуклая. Все оптические поверхности линз имеют разные радиусы кривизны, за исключением второй, у которой радиусы кривизны одинаковые.The closest in technical essence to the proposed invention is a laser beam expander [CN 111283320 A, 06/16/2020, "Laser beam expander and laser processing equipment"]. The expander consists of four optically coupled lenses located on the same axis along the incident laser beam. The second lens can move along the optical axis relative to the first lens, and the third and fourth lenses can move together relative to the second lens to change the diameter of the laser beam at the expander output. The first lens is a meniscus with its convex side facing the laser, the second and third lenses are biconcave, the fourth lens is biconvex. All optical surfaces of lenses have different radii of curvature, with the exception of the second, which has the same radii of curvature.
Недостатками этого расширителя являются:The disadvantages of this expander are:
- низкая технологичность изготовления его оптических элементов из-за большой номенклатуры радиусов, для каждого из которых необходимо изготовить пробные стекла и инструмент;- low manufacturability of its optical elements due to the large range of radii, for each of which it is necessary to produce test glasses and tools;
- малый диаметр выходного пучка при максимальном увеличении - 9 мм;- small diameter of the output beam at maximum magnification - 9 mm;
- низкая степень коррекции аберраций при больших увеличениях и больших диаметрах пучков на входе расширителя.- low degree of aberration correction at high magnifications and large beam diameters at the expander input.
Технической задачей изобретения является уменьшение количества линз разных радиусов.The technical objective of the invention is to reduce the number of lenses of different radii.
Техническим результатом изобретения является создание расширителя лазерного пучка с повышенной технологичностью изготовления его оптических элементов, меньшей себестоимостью, большим диаметром выходного пучка, уменьшенной максимальной длиной оптической схемы и повышенной степенью коррекции аберраций.The technical result of the invention is the creation of a laser beam expander with increased manufacturability of its optical elements, lower cost, large output beam diameter, reduced maximum length of the optical scheme and increased degree of aberration correction.
Технический результат достигается тем, что расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, при этом первый компонент содержит линзу с радиусами R1 и R2, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами R3, R4, третий компонент содержит две линзы - третью отрицательную плосковогнутую с радиусами R5=∞ и R6 и четвертую двояковыпуклую положительную с радиусами R7, R8, согласно изобретению первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, линза первого компонента выполнена положительной двояковыпуклой, при этом для радиусов линз выполняются следующие соотношения: R1=R8, R2=R6.The technical result is achieved by the fact that the laser beam expander with a smoothly variable magnification includes three optically coupled components separated by air gaps, while the first component contains a lens with radii R 1 and R 2 , the second component is made in the form of a biconcave lens with the same radii R 3 , R 4 , the third component contains two lenses - the third negative plano-concave with radii R 5 =∞ and R 6 and the fourth biconvex positive with radii R 7 , R 8 , according to the invention, the first and third components are made to move along the optical axis relative to the fixed second component, the lens of the first component is made positive biconvex, with the following ratios for the radii of the lenses: R 1 =R 8 , R 2 =R 6 .
Расширитель может работать с диаметрами входных пучков 1÷2 мм при увеличениях 6÷12 крат, а максимальный диаметр выходного пучка, при котором сохраняется дифракционное качество изображения достигает 20 мм (2 мм × 10х), при этом волновая аберрация составляет величину менее λ/20, где λ - рабочая длина волны лазера. Волновая аберрация при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении 12 крат менее λ/200.The expander can operate with input beam diameters of 1÷2 mm at magnifications of 6÷12 times, and the maximum output beam diameter at which the diffraction image quality is maintained reaches 20 mm (2 mm × 10 x ), while the wave aberration is less than λ/ 20, where λ is the operating wavelength of the laser. Wave aberration at
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением и приняты следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows the optical scheme of a laser beam expander with a continuously variable magnification and the following designations are adopted:
1 - двояковыпуклая положительная первая линза первого компонента,1 - biconvex positive first lens of the first component,
2 - двояковогнутая отрицательная вторая линза второго компонента,2 - biconcave negative second lens of the second component,
3 - плосковогнутая отрицательная третья линза третьего компонента,3 - plano-concave negative third lens of the third component,
4 - двояковыпуклая положительная четвертая линза третьего компонента,4 - biconvex positive fourth lens of the third component,
d1 - толщина первой линзы,d 1 - thickness of the first lens,
d2 - изменяемое расстояние между первым и вторым компонентами,d 2 - variable distance between the first and second components,
d3 - толщина второй линзы,d 3 - thickness of the second lens,
d4 - изменяемое расстояние между вторым и третьим компонентами,d 4 - variable distance between the second and third components,
d5 - толщина третьей линзы,d 5 - thickness of the third lens,
d6 - величина воздушного промежутка между третьей и четвертой линзами,d 6 - the size of the air gap between the third and fourth lenses,
d7 - толщина четвертой линзы.d 7 - the thickness of the fourth lens.
На фиг. 2 приведен график зависимости концентрации энергии в пятне в зависимости от радиуса.In FIG. Figure 2 shows a plot of the energy concentration in the spot as a function of the radius.
На фиг. 3 приведен график изменения модуля передаточной функции от пространственной частоты. In FIG. 3 shows a graph of the change in the transfer function modulus from the spatial frequency.
На фиг. 4 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении расширителя 12х.In FIG. Figure 4 shows a graph of the wave aberrations of the expander for an input beam diameter of 1 mm and an expander magnification of 12 x .
На фиг. 5 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 6х.In FIG. Figure 5 shows a graph of the wave aberrations of the expander for an input beam diameter of 2 mm and an expander magnification of 6 x .
На фиг. 6 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 10х.In FIG. Figure 6 shows a graph of the wave aberrations of the expander for an input beam diameter of 2 mm and an expander magnification of 10 x .
Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, при этом первый компонент содержит положительную двояковыпуклую линзу с радиусами R1 и R2, второй компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы с одинаковыми радиусами R3, R4, третий компонент содержит две линзы - третью отрицательную плосковогнутую с радиусами R5=∞ и R6 и четвертую двояковыпуклую положительную с радиусами R7, R8, при этом первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, при этом для радиусов линз выполняются следующие соотношения: R1=R8, R2=R6.The laser beam expander with continuously variable magnification includes three optically coupled components separated by air gaps, the first component contains a positive biconvex lens with radii R 1 and R 2 , the second component is made in the form of a biconcave lens with the same radii R 3 , R 4 , the third component contains two lenses - the third negative plano-concave with radii R 5 =∞ and R 6 and the fourth biconvex positive with radii R 7 , R 8 , while the first and third components are configured to move along the optical axis relative to the stationary second component, while for the radii of the lenses are the following relationships: R 1 =R 8 , R 2 =R 6 .
Расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом: лазерный псевдопараллельный пучок, исходящий из лазерного излучателя, попадает на первую линзу 1 первого компонента, имеющую положительную оптическую силу, после чего становится сходящимся, и на первой поверхности второй линзы 2 второго компонента диаметр сечения пучка уменьшается. После прохождения второй линзы, имеющей отрицательную оптическую силу, пучок начинает расходиться и попадает сначала на третью 3, а затем и на четвертую 4 линзы третьего компонента, после чего становится параллельным и увеличенным в диаметре. Расстояние d2 меняется для изменения диаметра сечения пучка, а расстояние d4 меняется в соответствии с изменением d2 для компенсации изменившейся сходимости пучка и коллимации излучения. Таким образом, осуществляется вариация диаметра пучка на выходе расширителя и, соответственно его увеличение, уменьшается расходимость лазерного излучения.The continuously variable magnification laser beam expander shown in FIG. 1 operates as follows: a pseudo-parallel laser beam emanating from a laser emitter hits the
Следует подчеркнуть, что расширитель по предлагаемой схеме может быть рассчитан для любых лазеров с рабочей длиной волны в диапазоне от УФ до ближнего ИК-излучения. В соответствии с предложенным решением в качестве конкретного примера рассчитан расширитель для Nd:YAG лазера с длиной волны 1,064 мкм, обладающий следующими техническими характеристиками:It should be emphasized that the expander according to the proposed scheme can be designed for any lasers with an operating wavelength in the range from UV to near-IR radiation. In accordance with the proposed solution, as a specific example, an expander for a Nd:YAG laser with a wavelength of 1.064 μm is calculated, which has the following technical characteristics:
рабочая длина волны 1,064 мкм;working wavelength 1.064 µm;
диаметр входного пучка: 1÷2 мм;input beam diameter: 1÷2 mm;
диапазон изменения увеличения:magnification range:
- 6÷12 крат для входного диаметра 1 мм (волновая аберрация меньше λ/200),- 6÷12 times for
- 6÷10 крат для входного диаметра 2 мм (волновая аберрация меньше λ/100÷λ/20);- 6÷10 times for an inlet diameter of 2 mm (wave aberration is less than λ/100÷λ/20);
максимальная длина оптической схемы: 150,8 мм (6 х, мм).maximum optical circuit length: 150.8 mm (6 x , mm).
Конструктивные параметры рассчитанного расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением приведены в Таблице 1, где указаны радиусы поверхностей линз, их толщины и материал.The design parameters of the calculated laser beam expander with a continuously variable magnification are given in Table 1, where the radii of the lens surfaces, their thicknesses and material are indicated.
Все оптические поверхности линз расширителя имеют сферическую форму. В качестве материала для линз расширителя применен плавленый кварц, который имеет хорошее пропускание в широком диапазоне от УФ до ближней ИК-области спектра и низкий коэффициент температурного расширения, что делает этот материал универсальным для решения широкого круга задач.All optical surfaces of the expander lenses are spherical. Fused quartz is used as a material for the expander lenses, which has good transmission in a wide range from UV to near-IR and a low thermal expansion coefficient, which makes this material universal for solving a wide range of problems.
В таблице 2 приведены значения изменяемых расстояний d2 и d4 при увеличениях расширителя 6, 8 и 12 крат.Table 2 shows the values of the variable distances d 2 and d 4 at magnifications of the
Высокое качество рассчитанного расширителя подтверждается приложенными графическими материалами (фиг. 2 - фиг. 6)The high quality of the calculated expander is confirmed by the attached graphic materials (Fig. 2 - Fig. 6)
Анализ аберраций оптической схемы расширителя лазерного пучка проводился с использованием модели параксиальной (безаберрационной) линзы с фокусным расстоянием 50 мм, позволяющей сфокусировать коллимированный пучок.The analysis of the aberrations of the optical scheme of the laser beam expander was carried out using the model of a paraxial (aberration-free) lens with a focal length of 50 mm, which makes it possible to focus the collimated beam.
На фиг. 2 видно, что график практически совпадает с теоретическим пределом.In FIG. 2 shows that the graph practically coincides with the theoretical limit.
На фиг. 3 видно, что график практически совпадает с дифракционным пределом.In FIG. 3 shows that the graph practically coincides with the diffraction limit.
На фиг. 4 при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении расширителя 12х-волновая аберрация меньше λ/200.In FIG. 4 with an input beam diameter of 1 mm and an expander magnification of 12 x -wave aberration is less than λ/200.
На фиг. 5 при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 6х-волновая аберрация меньше λ/100.In FIG. 5 with an input beam diameter of 2 mm and an increase in the expander 6 x -wave aberration is less than λ/100.
На фиг. 6 при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении расширителя 10х-волновая аберрация меньше λ/20.In FIG. 6 with an input beam diameter of 2 mm and an expander magnification of 10x , the wave aberration is less than λ/20.
Использование изобретения позволяет повысить технологичность изготовления оптических элементов расширителя за счет уменьшения количества разных радиусов линз, что ведет к уменьшению количества необходимых для контроля линз пробных стекол и сокращению номенклатуры инструмента для изготовления линз. Таким образом уменьшается себестоимость изготовления линз расширителя. Использование изобретения также позволяет увеличить максимальный диаметр пучка на выходе расширителя, сократить максимальную длину оптической схемы и повысить степень коррекции аберраций.The use of the invention makes it possible to improve the manufacturability of the optical elements of the expander by reducing the number of different lens radii, which leads to a decrease in the number of test glasses required for lens control and a reduction in the range of tools for lens manufacture. Thus, the cost of manufacturing expander lenses is reduced. The use of the invention also makes it possible to increase the maximum beam diameter at the expander output, to reduce the maximum length of the optical scheme, and to increase the degree of aberration correction.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797961C1 true RU2797961C1 (en) | 2023-06-13 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU169899U1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-04-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Four-wave Nd: YAG laser beam expander |
CN109884801A (en) * | 2018-12-31 | 2019-06-14 | 苏州大学 | Continuous vari-focus laser shaping system |
CN111283320A (en) * | 2020-03-06 | 2020-06-16 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | Laser beam expanding lens and laser processing equipment |
CN112404704A (en) * | 2020-11-03 | 2021-02-26 | 深圳市韵腾激光科技有限公司 | Variable-power laser beam expander and laser processing system |
CN214795440U (en) * | 2021-06-08 | 2021-11-19 | 富通尼激光科技(东莞)有限公司 | Dual-wavelength long-magnification continuous variable-magnification laser beam expander |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU169899U1 (en) * | 2016-05-04 | 2017-04-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) | Four-wave Nd: YAG laser beam expander |
CN109884801A (en) * | 2018-12-31 | 2019-06-14 | 苏州大学 | Continuous vari-focus laser shaping system |
CN111283320A (en) * | 2020-03-06 | 2020-06-16 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | Laser beam expanding lens and laser processing equipment |
CN112404704A (en) * | 2020-11-03 | 2021-02-26 | 深圳市韵腾激光科技有限公司 | Variable-power laser beam expander and laser processing system |
CN214795440U (en) * | 2021-06-08 | 2021-11-19 | 富通尼激光科技(东莞)有限公司 | Dual-wavelength long-magnification continuous variable-magnification laser beam expander |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100352206B1 (en) | fθ Lens | |
KR200485918Y1 (en) | F-theta objective | |
KR100206095B1 (en) | Method and device for focusing laser beam | |
WO2008150959A1 (en) | Vario-astigmatic beam expander | |
CN111283320B (en) | Laser beam expanding lens and laser processing equipment | |
CN112711143A (en) | High-energy laser emission tracking aiming system capable of continuously focusing | |
CN110908099B (en) | Quasi-telecentric high-power optical focusing lens for laser welding machine and imaging method thereof | |
RU2797961C1 (en) | Laser beam expander with continuously variable magnification | |
CN215545785U (en) | Optical system and laser processing equipment | |
KR20080108219A (en) | Yag laser, lens for fiber laser and laser processing system | |
RU2797938C1 (en) | Achromatic laser beam expander with continuously variable magnification | |
CN216561248U (en) | Ultraviolet laser fixed-time beam expanding system | |
JPH0332484A (en) | Laser beam machine | |
US20090323176A1 (en) | Single wavelength ultraviolet laser device | |
US4964704A (en) | Optical system for use of a laser processing machine | |
CN109702322B (en) | Laser multi-focus cutting spherical aberration correction method and device | |
CN113093480A (en) | Parallel exposure suppression super-diffraction limit laser direct writing objective lens | |
TWI697162B (en) | Apparatus for generating a line-shaped intensity distribution of a laser radiation | |
CN113305426A (en) | Bessel beam lens for laser cutting | |
DE102019108084A1 (en) | zoom optics | |
CN112622286A (en) | M-type short-focus infrared laser lens | |
JP2001009580A (en) | Laser light condensing device | |
CN216462437U (en) | Near-infrared band laser zooming beam expander | |
CN116931282A (en) | Wide-spectrum laser zoom beam-expanding collimation optical system | |
CN221056767U (en) | Variable-magnification beam expander for high-power laser and laser processing system |