扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备的制作方法

本发明涉及激光加工的技术领域，特别是涉及一种扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备。

背景技术：

在激光加工过程中，激光加工设备的出射的激光的聚焦点处的能量需非常集中，以确保激光聚焦点处具有较高的能量密度，从而使激光能够有效地工作，且能提高激光的工作效率。对于同一台激光器，若要提高激光的聚焦能量密度，需借助扩束镜的调节使激光光束变为准直(平行)光束，才能利用聚焦镜获得尽可能小的聚焦光斑。

根据拉氏不变量定理：nDθ＝n'D'θ'＝J

其中：J是拉赫不变量；n、n'表示光学系统在物方空间、像方空间的折射率，当光学系统置于空气中时，n＝n'＝1；D和D'表示光学系统的入瞳直径和出瞳直径；θ和θ'表示入射光和出射光的视场角，当视场角很小时，可以用弧度来表示。由上式可见，当入射的激光束有发散角时，即θ较大时，通过扩束系统使入射的激光束直径放大β＝D'/D倍，可使激光束的发散角缩小β倍，从而达到整形激光束的目的。

另一方面，根据衍射极限理论关系式：δ＝2.44λf/D'

其中，δ是聚焦点光斑直径，λ是激光器工作波长，f是聚焦系统的焦距，D'是聚焦系统的入射光瞳直径。

可见，通过加入一个合适倍率的扩束系统，便可得到理想的聚焦光斑。然而在实际中，扩束系统仅适用于一定波长的激光束，即要使激光束放大一定的倍率，使得不同波长的激光器发出的激光束需使用不同的扩束系统，因此对于既定的激光器的扩束系统，其适用性受到较大限制。

技术实现要素：

基于此，有必要针对激光器的扩束系统的适用性受到较大限制的问题，提供一种扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备。

一种扩束组件，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述第一透镜与所述第二透镜能够相对移动，所述第一透镜与所述第三透镜能够相对移动，且所述第二透镜与所述第三透镜相对静止；所述第一透镜为双凹型负透镜，所述第二透镜为弯月型负透镜，所述第三透镜为双凸型正透镜。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的两侧分别设有第一曲面和第二曲面，所述第一曲面远离所述第二透镜，所述第二曲面邻近所述第二透镜，所述第一曲面的曲率半径为-30mm±1.5mm，所述第二曲面的曲率半径为8mm±0.4mm；

所述第二透镜的两侧分别设有第三曲面和第四曲面，所述第三曲面邻近所述第二曲面，所述第四曲面邻近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径为120mm±6mm，所述第四曲面的曲率半径为40mm±2mm；

所述第三透镜的两侧分别设有第五曲面和第六曲面，所述第五曲面邻近所述第四曲面，所述第六曲面远离所述第四曲面，所述第五曲面的曲率半径为50mm±2.5mm，所述第六曲面的曲率半径为-50mm±2.5mm；所述第四曲面与所述第五曲面之间在光轴上的距离为1mm±0.05mm。

在其中一个实施例中，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为2mm±0.1mm；所述第二透镜在光轴上的中心厚度为3mm±0.15mm；所述第三透镜在光轴上的中心厚度为6mm±0.3mm。

在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.4/67±0.07/67。

在其中一个实施例中，所述第二曲面与所述第三曲面之间在光轴上的距离为63.8mm±3.19mm，所述入射光束的波长为1064nm。

在其中一个实施例中，所述第二曲面与所述第三曲面之间在光轴上的距离为62.2mm±3.11mm，所述入射光束的波长为532nm。

在其中一个实施例中，所述第二曲面与所述第三曲面之间在光轴上的距离为60mm±3mm，所述入射光束的波长为355nm。

在其中一个实施例中，所述扩束组件的扩束倍数为6。

一种激光加工设备，包括激光器和上述的扩束组件，所述激光器产生所述入射光束，所述入射光束射入所述扩束组件，所述扩束组件调节所述入射光束并输出调节光束。

在其中一个实施例中，激光加工设备还包括聚焦组件，所述聚焦组件位于所述扩束组件远离所述激光器的一侧，所述调节光束射入所述聚焦组件，所述聚焦组件对所述调节光束进行聚焦并输出聚焦光束。

上述的扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备，入射光束照射至第一透镜第一侧面上，大部分入射光束从第一透镜的第一侧面折射进入并从第一透镜的第二侧面上折射而出；通过第一透镜的入射光束照射至第二透镜的第一侧面上，大部分通过第一透镜的入射光束从第二透镜的第一侧面折射进入并从第二透镜的第二侧面上折射而出；以此类推，通过第一透镜的入射光束大部分通过第三透镜，最终聚焦成光束直径较细的出射光束；由于第一透镜与第二透镜能够相对移动，第一透镜与第三透镜能够相对移动，且第二透镜与第三透镜相对静止，使用时可以调节第一透镜与第二透镜之间的距离，及调节第一透镜与第三透镜之间的距离，即可以调节第一透镜的第二侧面与第二透镜的第一侧面之间的间距，以实现不同波长的入射光束的等倍率扩束；扩束组件也可以应用到不同波长的入射光束的高功率的激光器中，所以上述的扩束组件的适应性强，应用范围较广；由于上述的扩束组件的结构简单紧凑、调节方便且占用的空间较小，有利于实现激光加工设备的小型化；此外，第一透镜为双凹型负透镜，用于发散平行的入射光束；第二透镜为弯月型负透镜，用于去除通过第一透镜的入射光束中的色差；第三透镜为双凸型正透镜，用于将通过第二透镜的入射光束中的光线进一步汇聚成平行光，从而使聚焦后的出射光束的光线的平行性较好。

附图说明

图1为一实施例的扩束组件的结构示意图；

图2为图1所示扩束组件的光路图；

图3为入射光束的波长为1064nm经过图1所示扩束组件扩束后的MTF图；

图4为入射光束的波长为532nm经过图1所示扩束组件扩束后的MTF图；

图5为入射光束的波长为355nm经过图1所示扩束组件扩束后的MTF图；

图6为入射光束的波长为1064nm经过图1所示扩束组件扩束后的弥散斑图；

图7为入射光束的波长为532nm经过图1所示扩束组件扩束后的弥散斑图；

图8为入射光束的波长为355nm经过图1所示扩束组件扩束后的弥散斑图；

图9为入射光束的波长为1064nm经过图1所示扩束组件扩束后的Ray fan图；

图10为入射光束的波长为532nm经过图1所示扩束组件扩束后的Ray fan图；及

图11为入射光束的波长为355nm经过图1所示扩束组件扩束后的Ray fan图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备进行更全面的描述。附图中给出了扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备的首选实施例。但是，扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在扩束组件及具有该扩束组件的激光加工设备的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本文中的各个参数对应的数值均表达为“基本尺寸±偏差”，其中，“基本尺寸+偏差”为该参数对应的最大极限数值，“基本尺寸-偏差”为该参数对应的最小极限数值，故该参数的数值在最小极限数值与最大极限数值之间。例如，R1的数值表示为“-30mm±1.5mm”，即-31.5mm≤R1≤-28.5mm。

如图1所示，一实施例的激光加工设备(图中未示出)包括激光器(图中未示出)和扩束组件10，激光器产生入射光束，入射光束射入扩束组件10，扩束组件10调节入射光束并输出调节光束。在本实施例中，扩束组件10的扩束倍数为6。激光器的输出的入射光束的波长可以是1064nm或532nm或355nm。如图2所示，扩束组件10包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜100、第二透镜200以及第三透镜300，第一透镜100与第二透镜200能够相对移动，第一透镜100与第三透镜300能够相对移动，且第二透镜200与第三透镜300相对静止。

如图1所示，第一透镜100为双凹型负透镜，第二透镜200为弯月型负透镜，第三透镜300为双凸型正透镜。在本实施例中，第二透镜200和第三透镜300组成透镜组件，且第二透镜200和第三透镜300相对静止。第一透镜100与透镜组件之间的距离可以调节，即第一透镜100和透镜组件之间可以相对移动。在其中一个实施例中，第一透镜100设置于第一滑动架(图中未示出)上，第二透镜200和第三透镜300均设置于第二滑动架(图中未示出)上，第一滑动架和第二滑动架均可以相对于固定架(图中未示出)滑动。

如图1所示，在其中一个实施例中，第一透镜100的两侧分别设有第一曲面110和第二曲面120，第一曲面110远离第二透镜200，第二曲面120邻近第二透镜200。第一曲面110的曲率半径R1为-30mm±1.5mm，第二曲面120的曲率半径R2为8mm±0.4mm。第二透镜200的两侧分别设有第三曲面210和第四曲面220，第三曲面210邻近第二曲面120，第四曲面220邻近第三透镜300。第三曲面210的曲率半径R3为120mm±6mm，第四曲面220的曲率半径R4为40mm±2mm。第三透镜300的两侧分别设有第五曲面310和第六曲面320，第五曲面310邻近第四曲面220，第六曲面320远离第四曲面220。第五曲面310的曲率半径R5为50mm±2.5mm，第六曲面320的曲率半径R6为-50mm±2.5mm。第四曲面220与第五曲面310之间在光轴20上的距离d₄₅为1mm±0.05mm，入射光束经过第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300后具有较好的聚焦性。具体在本实施例中，第一曲面110的曲率半径R1为-30mm，第二曲面120的曲率半径R2为8mm，第三曲面210的曲率半径R3为120mm，第四曲面220的曲率半径R4为40mm，第五曲面310的曲率半径R5为50mm，第六曲面320的曲率半径R6为-50mm，第四曲面220与第五曲面310之间在光轴20上的距离D₄₅为1mm。

如图1所示，在其中一个实施例中，第一透镜100在光轴20上的中心厚度d1为2mm±0.1mm。第二透镜200在光轴20上的中心厚度d2为3mm±0.15mm。第三透镜300在光轴20上的中心厚度d3为6mm±0.3mm。具体在本实施例中，第一透镜100在光轴20上的中心厚度d1为2mm，第二透镜200在光轴20上的中心厚度d2为3mm，第三透镜300在光轴20上的中心厚度d3为6mm。

在其中一个实施例中，第一透镜100的材料的折射率Nd1与阿贝数(阿贝数为德国物理学家恩斯特.阿贝发明的物理学数，也称“V-数”。阿贝数用来衡量介质的光线的色散程度)Vd1的比值为1.4/67±0.07/67，第二透镜200的材料的折射率Nd2与阿贝数Vd2的比值为1.4/67±0.07/67，第三透镜300的材料的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比值为1.4/67±0.07/67，使入射光束经过第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的色散较小。具体地，在本实施例中，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300的材料的折射率Ndn(n为1或2或3)与阿贝数Vdn的比值均为1.4/67。

在其中一个实施例中，扩束组件10的入瞳直径为3.3mm。在其中一个实施例中，扩束组件10的扩束倍数为6。在其中一个实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为63.8mm±3.19mm，入射光束的波长为1064nm，此时扩束组件10可对波长为1064nm的入射光束进行扩束。具体地，在本实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为63.8mm，此时扩束组件10可对波长为1064nm的入射光束进行较好地扩束。

在其中一个实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为62.2mm±3.11mm，入射光束的波长为532nm，此时扩束组件10可对波长为532nm的入射光束进行扩束。具体地，在本实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为62.2mm，此时扩束组件10可对波长为532nm的入射光束进行较好地扩束。

在其中一个实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为60mm±3mm，入射光束的波长为355nm，此时扩束组件10可对波长为355nm的入射光束进行扩束。具体地，在本实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃为60mm，此时扩束组件10可对波长为355nm的入射光束进行较好地扩束。

下表为扩束组件10的较佳实施例的具体设计参数值。

通过对第一透镜100与第二透镜200在光轴20上间距D₂₃进行调节，即对第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D₂₃进行调节，扩束组件10可以对入射光束为1064nm或532nm或355nm等波长的激光束实现等倍率扩束。当D₂₃为63.8mm时，扩束组件10可以对波长为1064nm的入射光束进行6倍扩束。当D₂₃为62.2mm时，扩束组件10可以对波长为532nm的入射光束进行6倍扩束。当D₂₃为60mm时，扩束组件10可以对波长为355nm的入射光束进行6倍扩束。按照上述的参数设计的扩束组件10，不仅可以兼容多波长的入射光束的扩束，从而可以保证较好的入射光束质量，同时可以得到较为理想的聚焦光斑，进而保证激光加工设备的精度和效率。

图3示出了入射光束的波长为1064nm经过扩束组件10扩束后的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)图。图4示出了入射光束的波长为532nm经过扩束组件10扩束后的MTF图。图5示出了入射光束的波长为355nm经过扩束组件10扩束后的MTF图。如图3至图5所示，曲线的平直性均较好，即扩束组件10边缘和中心的成像的均匀性较好，扩束组件10对于波长分别为1064nm或532nm或355nm的入射光束进行扩束后均具有较高的分辨率，满足激光加工设备的加工要求。如图6至图8所示，波长分别为1064nm或532nm或355nm的入射光束均在0°视场角方向的光斑点的分布状态，波长分别为1064nm或532nm或355nm的入射光束在0°视场角方向的所有实际光斑点均位于理想光斑圆圈内，表明波长分别为1064nm或532nm或355nm的入射光束经过扩束组件10的成像质量很高。图9至图11分别示出了波长为1064nm、532nm和355nm的入射光束经过扩束组件10扩束后的Ray fan图。Ray fan图称为光线扇形图，又称为光线差图，Ray fan图用于定量分析光线相差。如图9至图11所示，波长为1064nm或532nm或355nm的入射光束经过扩束组件10进行调整后，输出的调节光束的光斑的一致性较好，进一步表明了扩束组件10的对于不同波长的入射光束的兼容性较好，即扩束组件10适应性较好。

在其中一个实施例中，激光加工设备还包括聚焦组件(图中未示出)，聚焦组件位于扩束组件10远离激光器的一侧，调节光束射入聚焦组件，聚焦组件对调节光束进行聚焦并输出聚焦光束。在本实施例中，聚焦组件设置于扩束组件10的后端，调节光束经过聚焦组件进行聚焦，以得到较好的聚焦光斑。

上述的扩束组件10及具有该扩束组件10的激光加工设备，入射光束照射至第一透镜100第一侧面上，大部分入射光束从第一透镜100的第一侧面折射进入并从第一透镜100的第二侧面上折射而出。通过第一透镜100的入射光束照射至第二透镜200的第一侧面上，大部分通过第一透镜100的入射光束从第二透镜200的第一侧面折射进入并从第二透镜200的第二侧面上折射而出。以此类推，通过第一透镜100的入射光束大部分通过第三透镜300，最终聚焦成光束直径较细的出射光束。由于第一透镜100与第二透镜200能够相对移动，第一透镜100与第三透镜300能够相对移动，且第二透镜200与第三透镜300相对静止，使用时可以调节第一透镜100与第二透镜200之间的距离，及调节第一透镜100与第三透镜300之间的距离，即可以调节第一透镜100的第二侧面与第二透镜200的第一侧面之间的间距，以实现不同波长的入射光束的等倍率扩束。

扩束组件10也可以应用到不同波长的入射光束的高功率的激光器中，所以上述的扩束组件10的适应性强，应用范围较广。由于上述的扩束组件10的结构简单紧凑、调节方便且占用的空间较小，有利于实现激光加工设备的小型化。此外，第一透镜100为双凹型负透镜，用于发散平行的入射光束。第二透镜200为弯月型负透镜，用于去除通过第一透镜100的入射光束中的色差。第三透镜300为双凸型正透镜，用于将通过第二透镜200的入射光束中的光线进一步汇聚成平行光，从而使聚焦后的出射光束的光线的平行性较好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。