本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件,尤其涉及一種用于改變激光光束聚焦特性的透射或反射器件。

背景技術(shù)：

玻璃、藍(lán)寶石與晶圓等透明或脆性材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,最具代表性的應(yīng)用領(lǐng)域是消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品,如智能手機(jī)的面板、攝像頭的保護(hù)窗口、指紋識(shí)別窗口等部件已經(jīng)大量使用了強(qiáng)化玻璃、藍(lán)寶石等透明材料。因此，對(duì)這些材料的有效與快速加工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法速度慢、崩邊嚴(yán)重、耗材與費(fèi)用高，已經(jīng)越來(lái)越難以滿足日益增加的透明或脆性材料的加工要求。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，人們已經(jīng)普遍認(rèn)可了用高功率激光束作為工具的激光加工方法。然而，基于激光剝蝕的加工方法雖然加工質(zhì)量遠(yuǎn)高于機(jī)械方法、但是加工速度不高且設(shè)備成本昂貴，難以滿足快速增長(zhǎng)的工業(yè)需求。基于熱應(yīng)力的CO₂激光切割則只能用來(lái)進(jìn)行直線切割、很難實(shí)現(xiàn)異性切割，且加工質(zhì)量難以滿足要求。

為了克服上述激光切割透明或脆性材料的弱點(diǎn)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了兩種快速切割的方法。一種是隱性切割法，此方法使用高數(shù)字孔徑鏡頭將激光聚焦在透明材料內(nèi)部，通過(guò)產(chǎn)生的應(yīng)力使材料分解。該方法的優(yōu)點(diǎn)是切割速度快、邊沿質(zhì)量好(幾乎無(wú)崩邊)，以及無(wú)錐度，缺點(diǎn)是只能做直線切割、需要后續(xù)加工如裂片等，以及對(duì)厚的材料需要多層切割。另一種是“光絲”切割法，該方法利用高功率密度的激光在材料中產(chǎn)生絲狀強(qiáng)應(yīng)力及微裂紋，使材料自動(dòng)分解，它的最顯著的特點(diǎn)是能快速切割厚的材料。產(chǎn)生絲狀應(yīng)力的方法也有兩種，一種是“燈絲”效應(yīng)，它是由超快激光的非線性效應(yīng)引起的自聚焦而產(chǎn)生的具有高功率密度的線狀光通道，如參考文獻(xiàn)(1)、(2)所述；另一種是通過(guò)對(duì)激光束整形，使之具有拉長(zhǎng)焦斑的特殊光束，如貝塞爾光束，見(jiàn)參考文獻(xiàn)(3)。前者的缺點(diǎn)是對(duì)加工的材料要求嚴(yán)格、加工參數(shù)“窗口”小、受材料表面影響比較大；后者即貝塞爾光束雖可以產(chǎn)生類(lèi)似燈絲的狹長(zhǎng)光束、且在焦深范圍內(nèi)功率變化不大，但其顯著缺點(diǎn)是焦深范圍有限、峰值功率較低，單脈沖可能不足以破壞材料，另外形成貝塞爾光束的光學(xué)系統(tǒng)也比較復(fù)雜。

(1)A.Couairon&A.Mysyrowicz,Femtosecond filamentation in transparent media,Physics Reports 441(2007)47-189

(2)Abhas S.Hosseini&Peter R.Herman,Method of material processing by laser filamentation,US patent 9296066

(3)Wu-Jung Tsai et al,Internal modification for cutting transparent glass using femtosecond Bessel beams,Optical Engineering 53(5),051503(May 2014)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種光學(xué)器件，它能使任意特定形狀的激光束無(wú)損地在光軸方向上聚焦成線狀焦斑。這種線狀焦斑的功率密度在光軸方向的一定距離(比如0.5mm厚的透明材料)內(nèi)都可以無(wú)限接近常數(shù)。如前所述，要使透明與脆性材料自動(dòng)裂解，需要使高強(qiáng)激光產(chǎn)生的材料內(nèi)部微裂充滿從上表面到下表面，也就是要求激光在材料厚度方向上產(chǎn)生的破壞足夠長(zhǎng)。而為了保證斷面質(zhì)量，微裂紋的傳播需要在光軸方向或者材料的厚度方向，不能任意傳播，這就要求激光產(chǎn)生的破壞區(qū)域在寬度上要盡可能的窄。綜上所述，為使材料高質(zhì)量的自動(dòng)斷裂，需要的激光的寬度較窄，焦深較長(zhǎng)，這與本發(fā)明的光學(xué)器件的特點(diǎn)完全一致。

本發(fā)明的的技術(shù)方案為：

一種實(shí)現(xiàn)軸向均勻線焦斑的光學(xué)器件，為透鏡，其特征在于：所述透鏡至少有一面為曲面，且任意橫向分布的入射光通過(guò)所述透鏡聚焦后在透鏡的光軸上呈現(xiàn)均勻線狀焦斑。

一種實(shí)現(xiàn)軸向均勻線焦斑的光學(xué)器件，為反射鏡，其特征在于：所述反射鏡為曲面，且任意橫向分布的入射光通過(guò)所述反射鏡聚焦后在反射鏡的光軸上呈現(xiàn)均勻線狀焦斑。

所述的曲面為非球面。這樣保證了均勻線狀焦點(diǎn)的形成。

所述透鏡的入射面為平面，出射面為曲面，且曲面為非球面。

所述透鏡的入射面為曲面，出射面為平面，且曲面為非球面。

所述透鏡的入射面和出射面均為曲面，且曲面為非球面。

本發(fā)明的原理是根據(jù)入射激光束的橫場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的聚焦光學(xué)器件，使入射激光束通過(guò)本發(fā)明聚焦后，在正常焦點(diǎn)附近相應(yīng)的軸向范圍內(nèi)激光束功率密度保持不變。

使用本發(fā)明所提出的非球面光學(xué)器件所產(chǎn)生的均勻線狀焦斑不再受被加工材料的影響，因而本發(fā)明克服了“燈絲”效應(yīng)對(duì)加工的材料要求嚴(yán)格、加工參數(shù)“窗口”小、受材料表面影響比較大等缺點(diǎn)。另外，本發(fā)明的線狀焦斑的產(chǎn)生只使用單一光學(xué)元件，且該元件的加工完全可用現(xiàn)有的技術(shù)解決，比如金剛石刀車(chē)削，因此本發(fā)明克服了貝塞爾光束產(chǎn)生的復(fù)雜性。最后，本發(fā)明的線狀焦斑的范圍理論上可以不受限制，同時(shí)對(duì)激光能量的損耗也是最小的，因此本發(fā)明也克服了貝塞爾光束焦深范圍有限與峰值功率較低的不足。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的光路示意圖。

圖2為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)線焦斑的平面-非球面光學(xué)透鏡的光路示意圖。

圖3為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)線焦斑的非球面-平面光學(xué)透鏡的光路示意圖。

圖4為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)線焦斑的球面-非球面光學(xué)透鏡的光路示意圖。

圖5為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)線焦斑的非球面光學(xué)反射鏡的光路示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1所示，本發(fā)明為透鏡4，其特征在于：所述透鏡的入射面和出射面均為曲面，且任意橫向分布的入射光通過(guò)所述透鏡聚焦后在透鏡的光軸上呈現(xiàn)均勻線狀焦斑。本發(fā)明的透鏡4由適合于高功率激光傳輸?shù)娜魏喂鈱W(xué)材料構(gòu)成，其入射面5與出射面6為曲面，且曲面為非球面。任意橫向分布的激光束1經(jīng)透鏡4向光軸7匯聚，在激光束1內(nèi)由內(nèi)圓光線2及外圓光線3組成的圓環(huán)經(jīng)過(guò)光透鏡4后產(chǎn)生折射光線9與8，并形成光線段10。折射光線8與9相交于點(diǎn)11。光線段10的長(zhǎng)度由折射光線8和9與光軸7相交的兩點(diǎn)決定。通過(guò)改變?nèi)肷涿?或出射面6或同時(shí)兩面的曲率，光線段10的長(zhǎng)度是可以變化，從而可導(dǎo)致本光線段上的激光功率密度的變化，也就是說(shuō)焦點(diǎn)處光軸上各線段上的功率密度是可以通過(guò)改變透鏡4的表面曲率而得到控制。如果入射面5與出射面6的曲率選擇得當(dāng)，就可以實(shí)現(xiàn)功率密度分布均勻的線狀焦斑的。在實(shí)際相交點(diǎn)11應(yīng)該離光軸很近且可以在光軸的任意一邊，但便于圖示說(shuō)明，圖中的距離被放大了。

正常情況下，入射面5與出射面6的曲率是隨著光線2和3與光軸7的距離而變化的，因此都是非球面的。同時(shí)這種曲率的變化還與激光束1的光強(qiáng)分布、材料折射率、材料厚度及所要求的均勻線狀焦斑的長(zhǎng)度有關(guān)。入射面5與出射面6的曲率計(jì)算通過(guò)幾何光學(xué)、微分方程與數(shù)值計(jì)算而得到。

上述數(shù)字計(jì)算結(jié)果可以直接輸入到超精細(xì)金剛石車(chē)刀削機(jī)器上進(jìn)行加工，如果是單件，則可以對(duì)光學(xué)材料直接加工；如果是批量，則可以先加工模具，然后用壓模的方式進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算并減少制造成本，圖1的結(jié)構(gòu)可以做各種變換而不會(huì)影響本發(fā)明所聲明的效果與特征。

如圖2所示，本發(fā)明的透鏡的入射面為平面，出射面為曲面，且曲面為非球面。

如圖3所示，本發(fā)明的所述透鏡的入射面為曲面，出射面為平面，且曲面為非球面。

如圖4所示，本發(fā)明的所述透鏡的入射面和出射面均為曲面，且曲面為非球面。

如圖5所示，本發(fā)明為反射鏡，其特征在于：所述反射鏡為曲面，且入射光通過(guò)所述反射鏡反射聚焦后在反射鏡的光軸上呈現(xiàn)均勻線狀焦斑。