一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件的制作方法
【專利說明】
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)器件，尤其涉及一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件。
[【背景技術(shù)】]
[0002]如圖2所示，通常激光器出射的激光光束能量分布是高斯光束，即中間能量密度大，越靠向邊緣能量密度越小。然而在將高斯光束應(yīng)用于塑料的同步激光焊接時(shí)，常會(huì)造成光斑中心已經(jīng)焊接緊密，但光斑邊緣因?yàn)槟芰棵芏忍?，材料還沒有焊上的現(xiàn)象。解決此問題，需要將高斯光束整形為平頂光束，實(shí)現(xiàn)較均勻的能量密度分布。目前，將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件有幾種:衍射光學(xué)元件、非球面透鏡組、二元光學(xué)元件。這些光學(xué)元件雖然能實(shí)現(xiàn)邊緣陡峭、能量分布平坦的光束分布，然而價(jià)格都非常昂貴，且不易于調(diào)節(jié)光路。而實(shí)際上，激光塑料焊接并不像某些激光鉆盲孔應(yīng)用那樣對(duì)能量密度分布的均勻性要求極其苛刻，其能量密度的最小值和最大值像差20%以內(nèi)往往是可以接受的。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，能夠滿足塑料激光焊接要求的將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，包括透鏡，透鏡的形狀為圓臺(tái)，圓臺(tái)的下底面為光束的入射面；圓臺(tái)的上底面和錐面為光束的出射面，圓臺(tái)的上底面和錐面出射的光束匯交在一起形成光斑。
[0005]以上所述的將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，包括環(huán)形的擋光片，環(huán)形擋光片布置在入射面上，環(huán)形擋光片的內(nèi)孔為高斯光束的入射孔；圓臺(tái)的上底面的直徑小于入射孔的直徑。
[0006]以上所述的將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，當(dāng)入射孔的直徑為D，上底面的直徑為d，圓臺(tái)母線與下底面的夾角為α，透鏡材料的折射率為η，透鏡錐面出射光束的出射角為α ’時(shí)，滿足以下條件:
[0007]b = d[l_t α η ( α ) X t α η ( α，- α )]
[0008]sin(a ’)= nXsin(a )
[0009]D = d+2b。
[0010]本實(shí)用新型的光學(xué)器件 ' 采用圓臺(tái)作為光束整形器件，使高斯光束轉(zhuǎn)換為相對(duì)均勻能量分布的光束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，可以滿足塑料激光焊接的要求。
[【附圖說明】]
[0011]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0012]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0013]圖2是未經(jīng)整形的高斯光束分布圖。
[0014]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例整形后的光束分布圖。
[【具體實(shí)施方式】]
[0015]本實(shí)用新型實(shí)施例將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括透鏡I和環(huán)形的擋光片2，透鏡I的形狀為圓臺(tái)，透鏡圓臺(tái)的下底面101為高斯光束的入射面，圓臺(tái)的上底面102和錐面103為光束的出射面。環(huán)形擋光片2布置在入射面上，環(huán)形擋光片2的內(nèi)孔201為高斯光束的入射孔。圓臺(tái)的上底面的直徑d小于入射孔的直徑D。圓臺(tái)的上底面102和錐面103出射的光束匯交在一起形成光斑。
[0016]為了使圓臺(tái)的上底面102和錐面103出射的光束匯交在一起完全重合，形成光斑，當(dāng)入射孔的直徑為D，上底面的直徑為d，圓臺(tái)母線與下底面101的夾角為α，透鏡I材料的折射率為η，透鏡I錐面出射光束的出射角為α ’時(shí)，需要滿足以下條件:
[0017]b = d[l_t α η ( α ) X t α η ( α，- α )]
[0018]sin ( α ’)= ηΧ sin ( α )
[0019]D = d+2b。
[0020]本實(shí)用新型以上實(shí)施例采用了圓臺(tái)作為光束整形器件，激光束從圓臺(tái)的下底面入射，此時(shí)，激光束被分成兩部分，中間的一部分圓形光束直接透過圓臺(tái)，而邊緣的部分光束實(shí)際上是個(gè)圓環(huán)，在圓臺(tái)的錐面上發(fā)生折射，折射后的光束在某個(gè)位置與中間的部分光束重合。圓環(huán)光束相對(duì)圓臺(tái)的中軸對(duì)稱，所以從圖1中可以看到，疊加的效果是能量密度被均勻化。
[0021 ] 為了得到邊緣陡峭的均勻光束，以徹底防止邊緣小能量密度光束部分對(duì)材料加工的影響，用環(huán)形擋光片截掉高斯光束的最外層邊緣部分。
[0022]本實(shí)用新型通過選取合適的角度α、頂面直徑d和圓臺(tái)通光孔徑D，可以使外層圓環(huán)光束和內(nèi)層圓形光束較好地重合。
[0023]以α = 30°，n = 1.5，D = 2ffo即高斯光束束腰直徑為例。出射光束能量分布公式如下:I(r) = 10 Exp(-2r2/Wo2)，其中Γ為高斯光束中心的光強(qiáng)，r為距離高斯光束中心的距離，Wo為高斯光束束腰半徑，I (r)是在距離出射光束中心r處的光強(qiáng)。
[0024]通過計(jì)算可以得出，整形后的光束L4分布如圖3所示，L4 = L1+L2+L3，從圖3中可以看到光束L1、L2和L3疊加后的光束L4分布邊緣陡峭，最大能量密度與最小能量密度差值小于10%，完全能夠滿足應(yīng)用于塑料的同步激光焊接的需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，包括透鏡，其特征在于，透鏡的形狀為圓臺(tái)，圓臺(tái)的下底面為光束的入射面；圓臺(tái)的上底面和錐面為光束的出射面，圓臺(tái)的上底面和錐面出射的光束匯交在一起形成光斑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，其特征在于，包括環(huán)形的擋光片，環(huán)形擋光片布置在入射面上，環(huán)形擋光片的內(nèi)孔為高斯光束的入射孔；圓臺(tái)的上底面的直徑小于入射孔的直徑。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，其特征在于，當(dāng)入射孔的直徑為D，上底面的直徑為d，圓臺(tái)母線與下底面的夾角為α，透鏡材料的折射率為η，透鏡錐面出射光束的出射角為α ’時(shí)，滿足以下條件:b = d[l-t αη(α)Χ?αη(α ’ - α )]sin ( α，)= ηΧ sin ( α )D = d+2b0
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束的光學(xué)器件，包括透鏡，透鏡的形狀為圓臺(tái)，圓臺(tái)的下底面為光束的入射面；圓臺(tái)的上底面和錐面為光束的出射面，圓臺(tái)的上底面和錐面出射的光束匯交在一起形成光斑。本實(shí)用新型采用圓臺(tái)作為光束整形器件，使高斯光束轉(zhuǎn)換為相對(duì)均勻能量分布的光束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，可以滿足塑料激光焊接的要求。
【IPC分類】G02B27/09
【公開號(hào)】CN204855950
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520134011
【發(fā)明人】馮廣智
【申請(qǐng)人】深圳市奧華激光科技有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日