CN110967782B - 一种高质量贝塞尔光束透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高质量贝塞尔光束透镜，包括顶部弧面的圆锥体状锥透镜，该锥透镜表面区域包括底平面、侧曲面和锥顶曲面，底平面为锥透镜的底面，并为激光入射锥透镜上的入射面；侧曲面为锥透镜的侧面，为激光光线在锥透镜上的出射面；锥顶曲面位于锥透镜顶角区域，锥顶曲面外侧镀有高反膜层。本发明的技术方案是在锥透镜制造过程中通过控制镀膜来控制锥透镜上出射激光能量分布，从而达到消除锥透镜顶角影响，减少贝塞尔光能量波动，同时又不存在引入光阑时的衍射影响，加工和使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工透镜技术领域，具体涉及一种高质量贝塞尔光束透镜。
背景技术
当下用贝塞尔光束切割玻璃、蓝宝石等脆性材料的应用越来越广，相应加工效果要求也越来越高，而加工效果与贝塞尔光束质量直接相关。锥透镜可以产生在一定范围内的近似贝塞尔光束，且具有较高衍射效率，是用来作为产生贝塞尔光束做激光加工的理想器件，但锥透镜锥角位置由于制造误差锥角顶角位置都为弧角，该弧角会影响贝塞尔光束的能量一致性，从而影响加工效果，找到一种既能有效消除该顶角缺陷影响又方便使用的方法有实际价值。
用锥透镜来产生贝塞尔光束，图1所示为理想锥透镜，平行光束通过后形成的两个方向波前分别与锥面平行。在光轴方向产生贝塞尔光束，光强沿传输方向强度曲线平滑，在一定距离内可以认为是沿传输方向强度不变的理想贝塞尔光束。理想锥透镜顶角为棱角，但锥透镜顶角角度较大，一般大于150°，由于制造工艺所限，实际加工出的锥透镜顶角为弧形，经过该弧形尖端的光会与经过其他位置产生的贝塞尔光干涉，对贝塞尔光束产生强度调制，使轴向方向上强度变化不再平缓，而是带有一定抖动。
图2所示为存在加工缺陷的锥透镜，其由平行光经过后，锥透镜中心位置附近的弧形曲面会聚焦部分入射的高斯光束，使其更靠近光轴，并在轴突后形成一个收敛的近球面波，对经过该位置的轴向光束进行调制，导致贝塞尔光束强度曲线不再平滑，而是存在一定抖动，且在一定距离内不再是理想贝塞尔光束。且在实际激光加工应用中，激光呈现高斯分布，中心入射能量高，轴向强度波动会更明显。
目前解决方法是通过添加光阑的方式，但光阑引入存在以下缺陷：1、光阑需要与尖角弧形尺寸相匹配，尺寸较小，制作和装配难度较大；2、光阑引入会导致衍射现象产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构科学合理，能够形成近似理想贝塞尔光束的高质量贝塞尔光束透镜。
本发明为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：
一种高质量贝塞尔光束透镜，包括顶部弧面的圆锥体状锥透镜，该锥透镜表面区域包括底平面、侧曲面和锥顶曲面，底平面为锥透镜的底面，并为激光入射锥透镜上的入射面；侧曲面为锥透镜的侧面，为激光光线在锥透镜上的出射面；锥顶曲面位于锥透镜顶角区域，锥顶曲面外侧镀有高反膜层，高反膜层的厚度d为d＝λ/2*n*cosα，
其中，λ为入射光的波长，n为高反膜层的膜层折射率，α为光在高反膜层上的入射角，入射角为入射光线与高反膜层入射面法线之间的夹角。
对上述方案的进一步改进，高反膜层包括N层电介质高反膜，N为≥1的自然数，第x层电介质高反膜的厚度dx为
dx＝λ/2*nx*cosαx，
其中，1≤x≤N，x为自然数，λ为入射光的波长，nx为第x层电介质高反膜的膜层折射率，αx为光线在第x层电介质高反膜上的入射角，入射角为入射光线与各电介质高反膜入射面法线之间的夹角，高反膜层14的厚度为N层电介质高反膜膜层厚度的和。
对上述方案的进一步改进，侧曲面镀有第一高透膜层。
对上述方案的进一步改进，底平面和侧曲面不镀膜。
对上述方案的进一步改进，底平面镀有第二高透膜层。
对上述方案的进一步改进，还包括圆柱透镜，圆柱透镜两端为分别为第一端面和第二端面，第一端面与锥透镜底平面为一体，第二端面为激光光线在圆柱透镜上的入射面。
对上述方案的进一步改进，第二端面镀有第三高透膜层。
对上述方案的进一步改进，第二端面不镀膜。
本发明的技术方案是在锥透镜制造过程中通过控制镀膜来控制锥透镜上出射激光能量分布，从而达到消除锥透镜顶角影响，减少贝塞尔光能量波动，同时又不存在引入光阑时的衍射影响，加工和使用方便。
锥透镜在选择时根据加工时所使用激光波长，可以选择镀红外、绿光高透膜，或者不镀膜，锥透镜入射面和出射面都均匀一致的高透过率，为了消除锥透镜顶角加工缺陷造成的影响，需要尽量减少顶角附近光能量，但由于入射光高斯分布，顶角附近光能量最强，通过控制镀膜方式，达到减小锥透镜顶角处锥顶曲面附近光能量，又不影响其他部分光传输。入射的底平面部分和出射的侧曲面部分镀高透膜或不镀膜情况不变，通过改变锥透镜顶角的锥顶曲面部分的镀膜情况，控制锥顶曲面多层电介质高反膜各层膜厚度，使光程差为λ/2，达到透射干涉相消目的。激光经过锥顶曲面位置处被反射，其他位置光线透射，从而在光轴处相干叠加，产生贝塞尔光束，该贝塞尔光消除了由于锥透镜顶角不规则带来的强度调制。且由于锥顶曲面位置处存在一定入射角，反射光会发散，不会原路返回，从而保证激光器不会受到反射影响。
附图说明
图1为理想锥透镜的光束入射情况示意图；
图2为存在加工缺陷的锥透镜；
图3为本发明的锥透镜结构示意图；
图4为本发明的锥透镜的光束入射情况示意图；
图5为本发明实施例2的锥透镜结构示意图；
图6为本发明实施例3的锥透镜结构示意图；
图7为本发明实施例4的锥透镜结构示意图；
图8为本发明实施例5的锥透镜结构示意图。
图中，1、锥透镜；11、底平面；12、侧曲面；13、锥顶曲面；14、高反膜层；15、第一高透膜层；16、第二高透膜层；2、圆柱透镜；21、第一端面；22、第二端面；23、第三高透膜层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图3所示，实施例1，本发明的一种高质量贝塞尔光束透镜，圆锥体状的锥透镜1，锥透镜1的表面包括底平面11、侧曲面12和锥顶曲面13，底平面11为锥透镜的底面，为激光入射锥透镜1上的入射面。侧曲面12为锥透镜1的侧面，为激光光线在锥透镜1上的出射面。锥顶曲面13位于锥透镜1顶角部区域，锥顶曲面13与侧曲面2为平滑过渡，锥顶曲面13外侧镀有高反膜层14，高反膜层14的厚度d为d＝λ/2*n*cosα，
其中，λ为入射光的波长，n为高反膜层的膜层折射率，α为光线在高反膜层上的入射角，入射角为入射光线与高反膜层14入射面法线之间的夹角，高反膜层14的厚度是从中心至两边是逐渐减少的。在该实施例中，底平面11和侧曲面12不镀膜。
在另一实施例中，高反膜层14包括N层电介质高反膜，N为≥1的自然数，第x层电介质高反膜的厚度dx为
dx＝λ/2*nx*cosαx，
其中，1≤x≤N，x为自然数，λ为入射光的波长，nx为第x层电介质高反膜的膜层折射率，αx为光线在第x层电介质高反膜上的入射角，入射角为入射光线与各电介质高反膜入射面法线之间的夹角。高反膜层14的厚度为N层电介质高反膜膜层厚度的和。
图4为激光经过如图3锥透镜后的光线情况，经过侧曲面12位置光线透过后在光轴上相干叠加，形成近似理想贝塞尔光束，锥顶曲面13位置处光线反射，反射与入射方向存在一定角度，从而避免反射光对激光器造成影响。
如图5所示为本发明实施例2中，在实施例1结构的基础上进一步改进，侧曲面镀有第一高透膜层15。如图6所示为实施例3，是在实施例1或2的基础上进一步地改进，底平面11镀有第二高透膜层16。
如图7所示为实施例4，是在实施例1到3的基础上进一步改进，本发明透镜还包括圆柱透镜2，圆柱透镜2两端为分别为第一端面21和第二端面22，第一端面21与锥透镜1的底平面11连接为一体，第二端面22为激光光线在圆柱透镜2上的入射面，第二端面22不镀膜。如图8所示为实施例5，在实施例4的基础上，进一步地，第二端面22镀有第三高透膜层23。
本发明通过改变透镜1镀膜情况来抑制制造缺陷，在锥透镜的锥顶曲面13为锥透镜弧角位置，该位置镀高反膜，在底平面11和侧曲面12位置镀高透膜或不镀膜。锥顶曲面13位置处镀多层电介质高反膜，其中，nx和dx分别为膜层折射率和厚度，αx为各膜层入射角度，各膜层厚度dx需满足光程差2nx*dx*cosαx＝λ。由公式可知，高反膜层14的膜层厚度根据入射角的变化而变化，其具体厚度可根据公式得出。
本发明中的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，包括顶部弧面的圆锥体状锥透镜(1)，该锥透镜表面区域包括底平面(11)、侧曲面(12)和锥顶曲面(13)，底平面为锥透镜的底面，作为激光入射锥透镜上的入射面；侧曲面为锥透镜的侧面，为激光光线在锥透镜上的出射面；锥顶曲面位于锥透镜顶角区域，锥顶曲面外侧镀有高反膜层(14)，所述高反膜层的厚度d为d＝λ/2*n*cosα，
其中，λ为入射光的波长，n为高反膜层的膜层折射率，α为光线在高反膜层上的入射角，入射角为入射光线与高反膜层入射面法线之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，高反膜层包括N层电介质高反膜，N为≥1的自然数，第x层电介质高反膜的厚度dx为
dx＝λ/2*nx*cosαx，
其中，1≤x≤N，x为自然数，λ为入射光线的波长，nx为第x层电介质高反膜的膜层折射率，αx为光线在第x层电介质高反膜上的入射角，入射角为入射光线与各电介质高反膜入射面法线之间的夹角，高反膜层（14）的厚度为N层电介质高反膜膜层厚度的和。
3.根据权利要求1所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，侧曲面镀有第一高透膜层(15)。
4.根据权利要求1所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，底平面和侧曲面不镀膜。
5.根据权利要求1所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，底平面镀有第二高透膜层(16)。
6.根据权利要求1-4任一所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，还包括圆柱透镜(2)，圆柱透镜两端为分别为第一端面(21)和第二端面(22)，第一端面与锥透镜底平面连接为一体，第二端面为激光光线在圆柱透镜上的入射面。
7.根据权利要求6所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，第二端面镀有第三高透膜层(23)。
8.根据权利要求6所述的高质量贝塞尔光束透镜，其特征在于，第二端面不镀膜。
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