一種光學模組及雷射切割裝置的製作方法
2023-04-28 01:11:16
本發明涉及工程光學技術領域，尤其涉及一種光學模組及雷射切割裝置。
背景技術：
雷射切割是利用高功率密度雷射束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續形成寬度很窄的(如0.1mm左右)切縫，完成對材料的切割。
相比較高斯光束，聚焦光束直徑小、焦深長特性的貝塞爾光束非常適合高硬度脆性材料的無錐度切割、高徑深比鑽孔，雷射微加工光路設計中。貝塞爾光束橫向光強分布表現為一個中心光斑和一系列同心圓環，在物理上可以實現的貝塞爾光束，其無衍射傳播範圍是有限的，在其無衍射範圍內，貝塞爾光束保持橫向光強分布，即使在遇到不透明障礙物後也可以恢復到原來的橫向光強分布。與高斯光束相比，貝塞爾光束幾乎沒有球差效應，光束直徑小，能量高，光束強度集中在光束傳播方向的一個狹長的範圍內，在這裡只能出現顯著的非線性效應(包括非線性光束扭曲和非線性吸收)，本質上使得其與脆性材料的相互作用更為可控
現有技術利用軸錐稜鏡將高斯圓形光斑轉變為貝塞爾環形光斑，高斯光束的中心光強最強，而軸錐稜鏡頂角不可能絕對尖銳，入射的高斯光束絕大部分通過軸錐稜角錐形鏡面轉換為環形光束，但中心也會有少量光束從軸錐稜鏡頂角處穿過，仍是保持原來的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一個中心圓點加一個圓環，而不是一個單純的貝塞爾環形光斑，因此，在應用透明材料微細加工中，軸錐稜鏡中心漏光會影響材料的加工效果。
技術實現要素：
本發明提供了一種光學模組，用於有效解決現有軸錐稜鏡中心漏光影響材料的加工效果的問題。
本發明提供的光學模組，包括:
共軸排列的軸錐稜鏡A、擴束鏡L2、第一透鏡L1、聚光鏡L3和反射鏡M；
軸錐稜鏡A置於光路的起始端，其錐形部背離雷射器設置，用於產生環形光斑；
第一透鏡L1，置於軸錐稜鏡A後端，用於對環形光斑進行環聚焦；
擴束鏡L2置於第一透鏡L1前端；
聚光鏡L3置於光路的末端；
反射鏡M設置於軸錐稜鏡A的後端，聚光鏡L3的前端，且反射鏡M的反射面與光軸呈大於0°的傾角。
可選的，
光學模組還包括四分之一波片Q，四分之一波片Q置於軸錐稜鏡A的後端，聚光鏡L3的前端。
可選的，
反射鏡M置於第一透鏡L1的前端。
可選的，
軸錐稜鏡A的頂角為170°。
可選的，
第一透鏡L1為焦距在-90的平凹透鏡。
可選的，
擴束鏡L2為2倍擴束鏡。
可選的，
擴束鏡L2包括第二透鏡L2-1和第三透鏡L2-2；
第二透鏡L2-1為焦距為170mm的平凸透鏡；
第三透鏡L2-2為焦距為170mm的平凸透鏡。
可選的，
反射鏡M的反射面與光軸呈45°傾角。
可選的，
聚光鏡為放大倍率為20x且數值孔徑為0.4的顯微物鏡鏡頭。
本發明還提供了一種雷射切割裝置，安裝以上任一項所述的光學模組。
從以上技術方案可以看出，本發明實施例具有以下優點：
本發明中，光學模組包括共軸排列的軸錐稜鏡A、擴束鏡L2、第一透鏡L1、聚光鏡L3和反射鏡M；軸錐稜鏡A置於光路的起始端，其錐形部背離雷射器設置，用於產生環形光斑；第一透鏡L1，置於軸錐稜鏡A後端，用於對環形光斑進行環聚焦；擴束鏡L2置於第一透鏡L1前端；聚光鏡L3置於光路的末端；反射鏡M設置於軸錐稜鏡A的後端，聚光鏡L3的前端，且反射鏡M的反射面與光軸呈大於0°的傾角。現有技術中，雷射經過軸錐稜鏡後，得到貝塞爾光束，由於軸錐稜鏡頂端不可能絕對尖銳，入射的高斯光束絕大部分通過軸錐稜角錐形鏡面轉換為環形光束，但中心也會有少量光束從軸錐稜鏡頂角處穿過，仍是保持原來的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一個中心圓點加一個圓環，而不是一個單純的貝塞爾環形光斑。而本發明通過設置反射面與光軸呈大於0°的傾角反射鏡M，從而中心光束經反射鏡M的反射後改變光路。有效解決現有軸錐稜鏡中心漏光影響材料的加工效果的問題。
此外，為了獲得更優質的聚焦效果，本發明還設置了擴束鏡L2進行擴束，並結合第一透鏡L1進行環聚焦，從而調節環形光斑的粗細，為進入聚光鏡進行聚焦提供有利條件。
附圖說明
圖1為本發明中光學模組的實施例結構示意圖。
具體實施方式
本發明實施例提供了一種光學模組，用於有效解決現有軸錐稜鏡中心漏光影響材料的加工效果的問題。
本發明提供了一種光學模組，用於有效解決現有軸錐稜鏡中心漏光影響材料的加工效果的問題。
本發明提供的光學模組，包括:
共軸排列的軸錐稜鏡A、擴束鏡L2、第一透鏡L1、聚光鏡L3和反射鏡M；
軸錐稜鏡A置於光路的起始端，其錐形部背離雷射器設置，用於產生環形光斑；
第一透鏡L1，置於軸錐稜鏡A後端，用於對環形光斑進行環聚焦；
擴束鏡L2置於第一透鏡L1前端；
聚光鏡L3置於光路的末端；
反射鏡M設置於軸錐稜鏡A的後端，聚光鏡L3的前端，且反射鏡M的反射面與光軸呈大於0°的傾角。
本實施例中，光學模組包括共軸排列的軸錐稜鏡A、擴束鏡L2、第一透鏡L1、聚光鏡L3和反射鏡M；軸錐稜鏡A置於光路的起始端，其錐形部背離雷射器設置，用於產生環形光斑；第一透鏡L1，置於軸錐稜鏡A後端，用於對環形光斑進行環聚焦；擴束鏡L2置於第一透鏡L1前端；聚光鏡L3置於光路的末端；反射鏡M設置於軸錐稜鏡A的後端，聚光鏡L3的前端，且反射鏡M的反射面與光軸呈大於0°的傾角。現有技術中，雷射經過軸錐稜鏡後，得到貝塞爾光束，由於軸錐稜鏡頂端不可能絕對尖銳，入射的高斯光束絕大部分通過軸錐稜角錐形鏡面轉換為環形光束，但中心也會有少量光束從軸錐稜鏡頂角處穿過，仍是保持原來的高斯光斑特性，如此形成的光斑是一個中心圓點加一個圓環，而不是一個單純的貝塞爾環形光斑。而本發明通過設置反射面與光軸呈大於0°的傾角反射鏡M，從而中心光束經反射鏡M的反射後改變光路。有效解決現有軸錐稜鏡中心漏光影響材料的加工效果的問題。
此外，為了獲得更優質的聚焦效果，本發明還設置了擴束鏡L2進行擴束，並結合第一透鏡L1進行環聚焦，從而調節環形光斑的粗細，為進入聚光鏡進行聚焦提供有利條件。
下面以實際應用的例子進行說明，從光路的起始端到終止端依次共軸排列，軸錐稜鏡A、四分之一波片Q、第二透鏡L2-1、第三透鏡L2-2、45°反射鏡M、第一透鏡L1和聚光鏡L3。
需要說明的是，上述光學元件可以分散設置，經共軸排列後使用；也可以按順序分別鑲嵌在具有安裝位的殼體內。
其中，反射鏡M可以與第一透鏡L1一體成型，且設置在第一透鏡L1的幾何中心處。第一透鏡L1有效改善雷射環形聚焦光斑的光強分布、特徵寬度和光能量集中分布。
四分之一波片為一定厚度的雙折射單晶薄片。當光法向入射透過時，尋常光(o光)和非常光(e光)之間的位相差等於π/2或其奇數倍，這樣的晶片稱為四分之一波片或1/4波片。當線偏振光垂直入射1/4波片,並且光的偏振和雲母的光軸面(垂直自然裂開面)成θ角，出射後成橢圓偏振光。特別當θ＝45°時，出射光為圓偏振光。波片的快軸和慢軸，與晶體的類型有關。負晶體的Ve>Vo，波片光軸方向平行于波片平面，負晶體做的四分之一波片的光軸方向就是快軸方向。正晶體快軸方向垂直於光軸方向位于波片平面內。
本發明中設置的四分之一波片Q讓雷射器輸出的線偏振光轉變為圓偏振光，更有利於雷射XY方向加工效果的一致性；
需要說明的是，擴束鏡不限於現有現成的擴束鏡和經透鏡組配合得到的擴束鏡。例如克卜勒以及伽利略擴束鏡。
伽利略擴束鏡通常包括一個輸入的凹透鏡和一個輸出的凸透鏡。輸入鏡將一個虛焦距光束傳送給輸出鏡。一般的低倍數的擴束鏡都用該原理製造，因為它簡單、體積小、價格也低。一般的儘可能的被設計為小的球面相差，低的波前變形和消色差。它的局限性在於不能容納空間濾波或者進行大倍率的擴束。
事實上在需要空間濾波或者進行大倍率的擴束的時候，一般使用克卜勒設計的望遠鏡。克卜勒望遠鏡一般有一個凸透鏡作為輸入鏡片，把實焦距聚焦的光束髮送到輸出元件上。另外，可以通過在第一個透鏡的焦點上放置小孔來實現空間濾波。例如擴束鏡L2由第二透鏡L2-1和第三透鏡L2-2替代，有效解決外加擴束鏡調光的困難問題，入射到後面聚光鏡L3的光束直徑越大，聚焦的光束直徑越小，具有增強加工效果越細膩的技術效果。
為了獲得更好的效果，具體光學元器件的型號包括但不限於以下組合：軸錐稜鏡A為頂角170°的軸錐稜鏡、第一透鏡L1為焦距在-90的平凹透鏡擴束鏡L2為2倍擴束鏡，且擴束鏡L2包括第二透鏡L2-1和第三透鏡L2-2；第二透鏡L2-1為焦距為170mm的平凸透鏡、第三透鏡L2-2為焦距為170mm的平凸透鏡、反射鏡M的反射面與光軸呈45°傾角、聚光鏡為放大倍率為20x且數值孔徑為0.4的顯微物鏡鏡頭。
本發明還提供了一種雷射切割裝置，安裝以上任一項所述的光學模組。
以上所述，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。