连续变焦激光整形系统论文和设计-吴爽

全文摘要

本实用新型公开一种连续变焦激光整形系统，同时实现激光束的连续变焦扩束和能量匀化。它为透射式无焦光学系统，其结构包括变焦整形组和补偿组。变焦整形组包括固定部件和变焦整形运动部件，固定部件包括一块平凹非球面透镜和一块双凸非球面透镜；补偿组为补偿运动部件。沿光线入射方向，依次设置平凹非球面透镜、双凸非球面透镜、变焦整形运动部件和补偿运动部件。本实用新型将能量呈高斯分布的准直激光束整形为尺寸连续可调的均匀分布平行光束，结构简单、体积紧凑，适用于激光加工、显微光刻、光学信息处理以及生物医学等激光应用领域。

主设计要求

1.一种连续变焦激光整形系统，其特征在于：它为透射式无焦光学系统，包括变焦整形组和补偿组，所述的变焦整形组包括固定部件和变焦整形运动部件，所述的固定部件包括平凹非球面透镜(1)和双凸非球面透镜(2)，所述的变焦整形运动部件为单块负透镜或双分离透镜组，所述的补偿组为补偿运动部件；所述系统的结构为：沿光线入射方向，依次设置平凹非球面透镜(1)、双凸非球面透镜(2)、变焦整形运动部件和补偿运动部件；轴向移动变焦整形运动部件和补偿运动部件，同时实现激光束的连续变焦扩束和能量匀化。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种连续变焦激光整形系统，其特征在于：光学系统采用正组补偿结构，补偿运动部件为单块正透镜或双分离透镜组。

3.根据权利要求1所述的一种连续变焦激光整形系统，其特征在于：固定部件与变焦整形运动部件的焦距比为1:(-1.5 ～ -0.5)，固定部件与补偿运动部件的焦距比为1:(2.5～ 4)。

4.根据权利要求1所述的一种连续变焦激光整形系统，其特征在于：光学系统总长为140mm ～ 180mm。

5.根据权利要求1所述的一种连续变焦激光整形系统，其特征在于：出射光束的尺寸调节范围为18mm ～ 54mm。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种连续变焦激光整形系统，属于激光束整形技术领域，适用于激光加工、显微光刻、光学信息处理以及生物医学等激光应用领域。

背景技术

激光具有良好的单色性、方向性、相干性以及高亮度，在材料加工、激光照明、信息技术和生物医学等领域具有重要的应用价值。在激光应用领域，激光能量的非均匀分布带来诸多不良影响，因此，需要匀化激光能量。传统的激光束整形技术包括非球面透镜组、微透镜阵列、衍射光学元件以及液晶空间光调制器等，将激光束整形为能量均匀分布光束，但光束尺寸固定。

激光加工、激光均匀照明等应用需要根据不同的加工尺寸或照明面积灵活调整均匀分布激光束的尺寸。现有文献如“Applying refractive beam shapers in creatingspots of uniform intensity and various shapes” ( Laskin A , Williams G ,Demidovich A. [J]. Proceedings of SPIE - The International Society forOptical Engineering, 2010, 7579.)报道的解决方案是采用“先整形，后变焦”方式，将非球面透镜组激光整形系统与变焦扩束系统组合使用，系统体积大，约为非球面透镜组激光整形系统π shaper的2～3倍，且成本高。目前，同时实现激光束连续变焦扩束和能量匀化的光学仪器未见报道。为了满足激光应用的需求，亟需设计研制一种结构简单、体积紧凑、便于加工的连续变焦激光整形系统。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单、体积紧凑的连续变焦激光整形系统，适用于激光加工、显微光刻、光学信息处理以及生物医学等激光应用领域。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种连续变焦激光整形系统，它为透射式无焦光学系统，包括变焦整形组和补偿组，所述的变焦整形组包括固定部件和变焦整形运动部件，所述的固定部件包括平凹非球面透镜和双凸非球面透镜，所述的变焦整形运动部件为单块负透镜或双分离透镜组，所述的补偿组为补偿运动部件；所述系统结构为：沿光线入射方向，依次设置平凹非球面透镜、双凸非球面透镜、变焦整形运动部件和补偿运动部件；轴向移动变焦整形运动部件和补偿运动部件，同时实现激光束的连续变焦扩束和能量匀化。

本实用新型中，光学系统采用正组补偿结构，补偿运动部件为单块正透镜或双分离透镜组。

光学系统中，固定部件与变焦整形运动部件的焦距比为1:(-1.5 ～ -0.5)，固定部件与补偿运动部件的焦距比为1:(2.5 ～ 4)。

光学系统的总长为140mm～180mm。

本实用新型提供一种连续变焦激光整形系统，其入射光束为能量呈高斯分布的准直激光束，出射光束为尺寸连续可调的均匀分布平行光束；出射光束的尺寸调节范围为18mm ～ 54mm；出射光束能量均匀性大于90%。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

1.光学系统采用“负-正-负”结构形式的变焦整形组和正光焦度的补偿组，合理引入非球面，同时实现激光束的连续变焦扩束和能量匀化，出射光束为尺寸连续可调的均匀分布平行光束。

2.出射光束的尺寸调节范围为18mm～54mm，能量均匀性大于90%。

3.光学系统结构简单、体积紧凑，总长为160mm，约为非球面透镜组激光整形系统πshaper的尺寸。

4.光学系统中不存在明显会聚光束，变焦整形运动部件位置处能量为近似均匀分布，避免高功率激光聚焦损伤光学元件。

附图说明

图1为本实用新型实施例的连续变焦激光整形系统结构示意图；

图2为入射光束的能量分布图；

图3为本实用新型实施例提供的连续变焦激光整形系统在1倍变焦时变焦整形运动部件位置处(最小光束口径所在位置)的能量分布图；

图4为本实用新型实施例提供的连续变焦激光整形系统分别在1倍变焦、2倍变焦和3倍变焦时相应的出射光束能量分布图；

图5为本实用新型实施例提供的连续变焦激光整形系统分别在1倍变焦、2倍变焦和3倍变焦时相应的波前误差图；

图中：1.平凹非球面透镜；2.双凸非球面透镜；3.变焦整形运动部件；4.补偿运动部件第一块透镜；5.补偿运动部件第二块透镜；6.像面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的具体阐述。

实施例1

本实施例提供一种连续变焦激光整形系统，波长为1064nm，束腰半径为5mm，入瞳直径为18mm，变焦比为3倍。出射光束尺寸为18mm～54mm连续可调，出射光束能量均匀性大于90%。

定义能量均匀性P<\/i>为：

设计图

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