一種長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域以及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種實現(xiàn)激光打 孔裝置的長焦深小焦斑聚焦系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自1960年激光器問世以來，激光在加工方面的應(yīng)用不斷拓展，特別是在激光打 孔、切割、光刻等方面起了非常重要的作用。在激光打孔裝置中，光束聚焦后的尺寸及焦深 是決定打孔精度的關(guān)鍵。由于解析度R反比于λ/ΝΑ(λ為激光波長，NA為數(shù)值孔徑），焦 深DOF(Depth of Focus)正比于λ/NA2,因此若解析度（用激光光斑大小進行評估）提高， 則焦深就會下降。焦深的下降將會直接影響被加工物體的表面品質(zhì)，例如銳利度降低、粗糙 度增加。
[0003] 常規(guī)增大焦深的方法是通過減小數(shù)值孔徑來擴展焦深，但是透鏡焦深與焦斑大小 的矛盾關(guān)系使得分辨率與加工深度很難同時獲得提升，增加焦深必然會引起焦斑尺寸的增 大?，F(xiàn)有技術(shù)中也有采用色差透鏡將寬頻激光或多波長激光的焦點群集成一線段（不同頻 段的光束被聚焦在不同的焦平面上），以延長焦深。但是，此技術(shù)需要寬頻激光或多波長激 光，致使成本提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種長焦深小焦斑的光學(xué)系統(tǒng)裝置，該裝置可以將光源輸出 的光經(jīng)過一組聚焦透鏡變?yōu)殚L焦深小焦斑光束，使得激光打孔裝置對工件位置誤差的敏感 度較低，對工件表面的平整度適應(yīng)性強。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，包括激光源、 激光、第一表面、第一光學(xué)元件、第二表面、第三表面、第二光學(xué)元件、第四表面、第一光學(xué)元 件所成像點、透鏡組所成像點、光屏；所述激光源發(fā)出激光，所述透鏡組包括設(shè)置在激光光 路上的第一光學(xué)元件、第二光學(xué)元件，所述第一光學(xué)元件具有一個鄰近激光光源的第一表 面及一個與該第一表面相對的第二表面，從光源位置向光屏方向看，第一表面和第二表面 是凸面，組成正彎月透鏡；所述第二光學(xué)元件設(shè)置在位于第一光學(xué)元件的遠離激光源的一 偵L第二光學(xué)元件具有一個鄰近第一光學(xué)元件的第三表面和與該第三表面相對的第四表 面，從光源位置向光屏方向看，第三表面和第四表面均是凹面，組成負彎月透鏡。
[0006] 進一步，所述激光光源發(fā)出二氧化碳激光。
[0007] 進一步，所述二氧化碳激光的波長為10600nm，二氧化碳激光光束為高斯光束。需 要說明的是，二氧化碳激光器只是本案例的較佳選擇，本發(fā)明適用于所有發(fā)出高斯光束的 激光器。
[0008] 進一步，所述第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件所用材質(zhì)為硒化鋅，其折射率為2. 4。 需要說明的是，硒化鋅材料只是本案例所選擇的較佳材料，不應(yīng)限制本發(fā)明的材料，本發(fā)明 同樣適用于其他材料的光學(xué)元件。
[0009] 進一步，所述第一光學(xué)元件的第二表面和第二光學(xué)元件中第三表面距離為 65. 2839mm，第二光學(xué)元件中第四光學(xué)表面與光屏之間距離為60. 2760mm，本實施例符合具 體案例的尺寸要求，且尺寸較小，符合裝置日漸小型化的要求。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：由于該系統(tǒng)裝置僅包括兩個球面元件，即第一光學(xué)元件和 第二光學(xué)元件，因此該系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低；且尺寸較小，符合裝置日漸小 型化的要求；尤其需要提出的是：本發(fā)明中光學(xué)元件的材質(zhì)和位置的設(shè)置，以及激光光源 的相關(guān)參數(shù)的選取使得該系統(tǒng)裝置能夠達到較長焦深和較小焦斑，對工件平整度要求較 低。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實施例聚焦系統(tǒng)裝置的光路示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述。
[0013] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的裝置包括激光源1和透鏡組。激光源1用于發(fā) 射二氧化碳激光2。透鏡組包括一個第一光學(xué)元件4和一個第二光學(xué)元件7,其設(shè)置在激光 光路上。第一光學(xué)元件4具有一個鄰近激光光源的第一表面3及一個與該第一表面相對的 第二表面5,從光源看向光屏方向，第一表面和第二表面是凸面，組成正彎月透鏡。第二光 學(xué)元件7設(shè)置在二氧化碳激光2的光路上且位于第一光學(xué)元件4的遠離激光源1的一側(cè)。 第二光學(xué)元件7具有一個鄰近第一光學(xué)元件的第三表面6和與該第三表面相對的第四表面 8,從光源看向光屏方向，第三表面和第四表面均是凹面，組成負彎月透鏡。
[0014] 本激光聚焦裝置激光光源1發(fā)出二氧化碳激光，其波長為10600nm，單獨經(jīng)過第一 光學(xué)元件4,該元件為彎月形正透鏡，可將光線聚焦在9處。后經(jīng)過該裝置第二光學(xué)元件7， 第二元件7為彎月形負透鏡，將光束進行發(fā)散，最后在光屏11上聚焦于10處，用于進一步 延長激光裝置焦深。
[0015] 本激光聚焦裝置透鏡組包括第一光學(xué)元件4和第二光學(xué)元件7,第一光學(xué)元件4和 第二光學(xué)元件7材料均為硒化鋅材料。
[0016] 將透鏡參數(shù)輸入codev軟件中，可得表1各個位置焦斑的大小，可以看到我們最終 得到的激光聚焦裝置焦深可以達到I. 4mm，焦斑均方根直徑為24um，實現(xiàn)了出射光束的長 焦深小焦斑。
[0017] 表 1
[0018]

[0019] 以上對本發(fā)明所提供的一種長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，并對此進行 了詳細介紹，本文應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理和實施方式進行了闡述，所要說明的是， 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則 之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，其特征在于，包括激光源（I)、激光 (2)、第一表面（3)、第一光學(xué)元件（4)、第二表面（5)、第三表面（6)、第二光學(xué)元件（7)、第四 表面（8)、第一光學(xué)元件所成像點（9)、透鏡組所成像點（10)、光屏（11); 所述激光源（1)發(fā)出激光（2)，所述透鏡組包括設(shè)置在激光（2)光路上的第一光學(xué)元件 (4)、第二光學(xué)元件（7)，所述第一光學(xué)元件（4)具有一個鄰近激光光源（1)的第一表面（3) 及一個與該第一表面相對的第二表面（5)，從光源位置向光屏方向看，第一表面（3)和第二 表面（5)是凸面，組成正彎月透鏡； 所述第二光學(xué)元件（7)設(shè)置在位于第一光學(xué)元件（4)的遠離激光源（1)的一側(cè)，第二 光學(xué)元件（7)具有一個鄰近第一光學(xué)元件的第三表面（6)和與該第三表面相對的第四表面 (8)，從光源位置向光屏方向看，第三表面（6)和第四表面（8)均是凹面，組成負彎月透鏡。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，其特征在于，所述 激光光源（1)發(fā)出二氧化碳激光。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，其特征在于，所述 二氧化碳激光的波長為10600nm，二氧化碳激光光束為高斯光束。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，其特征在于，所述 第一光學(xué)元件（4)和第二光學(xué)元件（7)所用材質(zhì)為硒化鋅，其折射率為2. 4。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，其特征在于，所述 第一光學(xué)元件（4)的第二表面（5)和第二光學(xué)元件（7)中第三表面（6)距離為65. 2839mm， 第二光學(xué)元件（7)中第四光學(xué)表面（8)與光屏（11)之間距離為60. 2760mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種長焦深小焦斑透鏡聚焦系統(tǒng)的激光裝置，包括激光源、激光、第一表面、第一光學(xué)元件、第二表面、第三表面、第二光學(xué)元件、第四表面、第一光學(xué)元件所成像點、透鏡組所成像點、光屏；所述激光源發(fā)出激光，所述透鏡組包括設(shè)置在激光光路上的第一光學(xué)元件、第二光學(xué)元件，第一光學(xué)元件包括第一表面、第二表面，第二光學(xué)元件包括第三表面、第四表面；本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低；且尺寸較小，符合裝置日漸小型化的要求；尤其需要提出的是：本發(fā)明中光學(xué)元件的材質(zhì)和位置的設(shè)置，以及激光光源的相關(guān)參數(shù)的選取使得該系統(tǒng)裝置能夠達到較長焦深和較小焦斑，對工件平整度要求較低。
【IPC分類】G02B27/00, B23K26/382
【公開號】CN104914573
【申請?zhí)枴緾N201510248801
【發(fā)明人】姚紅兵, 王單單, 李麗淋, 倪文強
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月15日