一种长工作距的激光光束整形器件的制作方法

本实用新型涉及一种长工作距的激光光束整形器件，属于光束整形器件领域。

背景技术：

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工存在加工质量好、加工速度快、表面变形小、后处理成本低等优势，可加工多种材料。

目前，激光加工行业对热效应的控制越来越高，进而对激光的光能量分布要求也越来越高，需求在加工面上光能量的分布由原来的高斯分布变成均匀(平顶)分布。常见的光束整形能实现在一个较小的深度(约1-10mm以内)内保证光能量分布为平顶分布，若超出范围，能量分布会变形，不能满足所需的加工要求。

技术实现要素：

本实用新型提供一种长工作距的激光光束整形器件，针对常见的光束整形器工作范围小的问题进行改进，保证在200-600mm范围内，平顶光能量分布不出现明显的变化，能满足客户的加工需求。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种长工作距的激光光束整形器件，包括沿光线入射方向依次设置的第一非球面透镜和第二非球面透镜；沿光线入射方向，第一非球面透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二非球面透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，其中，第一曲面为平面，第二曲面为非球面，第三曲面为非球面，第四曲面为平面。

申请人经研究发现，上述特定结构的整形器件，保证在200-600mm范围内，平顶光能量分布不出现明显的变化，能满足客户的加工需求。

为了进一步确保整形效果，优选，第一曲面的曲率半径为无穷大，第二曲面的曲率半径为-31.085±0.2mm，第三曲面的曲率半径为36.272±0.2mm，第四曲面的曲率半径为无穷大。

为了进一步提高整形效果，第一非球面透镜的中心厚度为5±0.05mm，第二非球面透镜的中心厚度为5±0.05mm。

为了实现长工作距的光束整形，优选，第一非球面透镜和第二非球面透镜的中心间距为150±0.2mm。

上述第一非球面透镜和第二非球面透镜所用材质均为光学熔融石英。

上述工作波长为1064nm。

上述第一非球面透镜和第二非球面透镜所采用的非球面方程均为：

其中，z为光轴方向的矢高；c为曲率(曲率半径的倒数)；k为圆锥系数；r为坐标轴镜像坐标，在xy坐标系中满足r²＝x²+y²；a1，a2，a3，a4是高次项系数，无量纲。单独没有意义。

上述长工作距的激光光束整形器件，用于改变激光光束能量分布，利用两片非球面透镜来对高斯光束进行整形，将不均匀的高斯光通过设计与其对应的不均匀的非球面的面型来改变光束的传播路径，使得出射整形器的一端能量均匀分布，再通过矫正出射光束的发散角来保证200-600mm范围内光能量不发生过多的改变，进而实现长工作距的光束整形。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型长工作距的激光光束整形器件，在200-600mm范围内，平顶光能量分布不出现明显的变化，可以使得用户在使用产品时对加工工件的位置不需要精确的控制，只要在所标称的范围内都可以用平定光对工件进行加工，大大缩小了调节时间；其次，由于长工作距的关系，一款整形器可以适配多个厂家的多中不同规格的设备，可大大降低或者消除由于不同厂商个性化的设备带来的定制成本。

附图说明

图1为实施例中长工作距的激光光束整形器件的光路图；

图2为实施例中激光光束整形前能量分布；

图3为实施例中激光光束经本实用新型长工作距的激光光束整形器件整形后的能量分布；

图4为实施例中未加整形器件的效果图；

图5为实施例中加了本实用新型长工作距的激光光束整形器件的效果图；

图中，1为第一非球面透镜，2为第二非球面透镜。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示的长工作距的激光光束整形器件，包括沿光线入射方向依次设置的第一非球面透镜和第二非球面透镜；沿光线入射方向，第一非球面透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二非球面透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，其中，第一曲面为平面，第二曲面为非球面，第三曲面为非球面，第四曲面为平面。

第一曲面的曲率半径为无穷大，第二曲面的曲率半径为-31.085mm第三曲面的曲率半径为36.272mm，第四曲面的曲率半径为无穷大；第一非球面透镜的中心厚度为5mm，第二非球面透镜的中心厚度为5mm；第一非球面透镜和第二非球面透镜的中心间距为150mm。第一非球面透镜和第二非球面透镜所用材质均为光学熔融石英。将前述光学系统装着在6061铝镜座中。

第二曲面和第三曲面均为非球面，所采用的非球面方程均为：

其中，z为光轴方向的矢高；c为曲率(曲率半径的倒数)；k为圆锥系数；r为坐标轴镜像坐标，在xy坐标系中满足r²＝x²+y²；a1，a2，a3，a4是高次项系数，无量纲，单独没有意义。

表1镜片参数：

上述长工作距的激光光束整形器件的波长为1064nm，入射高斯光束为6mm(如图2)，出射平顶光束为10mm(如图3)，工作距在200-600mm范围内均可。在光学导轨上使激光器先经过扩束镜将高斯光束变成6mm光束，再经过上述整形器，最后用测试版接收激光查看效果，如图4-5所示，在200-600mm范围内，平顶光能量分布不出现明显的变化，能满足客户的加工需求。

技术特征：

1.一种长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的第一非球面透镜和第二非球面透镜；沿光线入射方向，第一非球面透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二非球面透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，其中，第一曲面为平面，第二曲面为非球面，第三曲面为非球面，第四曲面为平面。

2.如权利要求1所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：第一曲面的曲率半径为无穷大，第二曲面的曲率半径为-31.085±0.2mm，第三曲面的曲率半径为36.272±0.2mm，第四曲面的曲率半径为无穷大。

3.如权利要求1或2所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：第一非球面透镜的中心厚度为5±0.05mm，第二非球面透镜的中心厚度为5±0.05mm。

4.如权利要求1或2所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：第一非球面透镜和第二非球面透镜的中心间距为150±0.2mm。

5.如权利要求1或2所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：第一非球面透镜和第二非球面透镜所用材质均为光学熔融石英。

6.如权利要求1或2所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：工作波长为1064nm。

7.如权利要求1或2所述的长工作距的激光光束整形器件，其特征在于：第一非球面透镜和第二非球面透镜所采用的非球面方程均为：

其中，z为光轴方向的矢高；c为曲率(曲率半径的倒数)；k为圆锥系数；r为坐标轴镜像坐标，在xy坐标系中满足r²＝x²+y²；a1，a2，a3，a4是高次项系数，无量纲。

技术总结
本实用新型公开了一种长工作距的激光光束整形器件，包括沿光线入射方向依次设置的第一非球面透镜和第二非球面透镜；沿光线入射方向，第一非球面透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二非球面透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面，其中，第一曲面为平面，第二曲面为非球面，第三曲面为非球面，第四曲面为平面。本实用新型在200‑600mm范围内，平顶光能量分布不出现明显的变化，可以使得用户在使用产品时对加工工件的位置不需要精确的控制，只要在所标称的范围内都可以用平定光对工件进行加工，大大缩小了调节时间；其次，由于长工作距的关系，一款整形器可以适配多个厂家的多中不同规格的设备，可大大降低或者消除由于不同厂商个性化的设备带来的定制成本。

技术研发人员：陈磊;朱敏;王坚;王国力
受保护的技术使用者：南京波长光电科技股份有限公司
技术研发日：2019.07.12
技术公布日：2020.05.22