一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用。修正型伽利略式变倍扩束镜，包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2-8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。本发明专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜，平移距离小，安全性高；可用于10.6um的CO2激光器，通过微调相邻元件的距离，也可用于其它波长或波段范围内。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于光学领域。
技术介绍
扩束镜是扩展准直（平行）光（如激光光束）光束大小的一种仪器。扩束镜具有 两个主要功能：扩展准直光光束大小及减小光束发散角。如使用同样的聚焦镜，具有较大 光束尺寸和较小的发散角的准直光会被聚焦为较小的光斑尺寸。同时，在激光打标、激光焊 接等应用方面，会要求系统能根据要求改变聚焦光斑的大小来实现不同的打标/焊接粗细 度，同时，也要求扩束镜能过变倍以用来矫正由于激光器不同输出状态所带来的光束变化。 因此，在这些使用激光处理材料的各种应用中，广泛地使用了能变倍的扩束镜，来实现可变 的聚焦光斑及矫正光束变化。 从结构上来说，扩束镜的有两种类型：伽利略式和开普勒式。对于标准的定倍率 伽利略式扩束镜，有一个负屈光度的输入元件和一个正屈光度的输出元件。开普勒式的结 构则是相反的：它有一个正屈光度的输入元件和一个负屈光度的输出元件。对于变倍扩束 镜结构，伽利略式有一个负屈光度的输入元件，中间一个正屈光度的变倍元件和一个正屈 光度的准直元件，因需要较大的平移距离，伽利略式只广泛用于放大率变倍比小于2的设 计中，变倍比定义为最大放大率与最小放大率的比值；另一方面，可变倍开普勒式的结构， 为正屈光度元件输入，中间为负屈光度元件实现变倍，后面的正屈光度元件输出，由于对同 样的放大率变倍比，只需要较为短的平移距离，使得开普勒式的结构更适用于变倍比大于2 倍的变倍扩束镜。然而，在高功率激光器应用方面，开普勒式扩束镜有一固有缺陷：输入元 件具有正屈光度，打在中间元件的光束尺寸远小于输入光的尺寸，较小的激光光束尺寸使 得中间元件的表面承受了比输入元件的表面更高的光强强度，使中间的元件容易在客户不 知情的情况下被打坏，整个光学系统的损伤阈值因此被降低。 关于变倍扩束镜，国内专利方面，2010年由李家英等人公布的2010102077391 号专利，及2014年由彭红攀等人专利技术的201410795058. X号专利，从结构上来说，都是开 普勒式，存在损伤阈值低等问题。国际专利方面，由1992年7月28日Cobb在美国的专 利No. 5, 134, 523公开了一种伽利略式变倍扩束镜，在结构形式上，Cobb的专利属于传统 的伽利略式变倍扩束镜，放大倍率为4. 251 X-6. 79X，放大率变倍比为I. 6X，平移距离是 97. 4_，存在放大率变倍比小，平移距离大等问题。 综上所述，开发一种能实现较为短的平移距离、内部光束直径又能大于输入光束 直径的变倍扩束镜是非常急需的。
技术实现思路
为了解决现有技术中平移距离大、损伤阈值低等缺陷，本专利技术提供一种修正型伽 利略式变倍扩束镜及其应用。 为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下： -种修正型伽利略式变倍扩束镜，包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第 二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依 次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距 离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率 为2-8,在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。 上述变倍扩束镜的放大倍率从2 X至8 X可调；第二透镜和第三透镜作为整体一 起移动，第一透镜和第二透镜之间的距离和第三透镜和第四透镜之间的距离随放大倍率相 应地移动。 现有的变倍扩束镜的结构通常包含三个元件，并且且第一个元件是正的，这样的 结构较为容易设计，并且常有一个较短的平移距离及较短的总长度。然而，具有正屈光度的 第一元件的将使入射光束聚焦在扩束镜内部，通常使得内部某镜面上的光束尺寸比入射光 束小3~4倍，因此将使这个扩束镜的激光损伤阈值减小了 10倍左右。对于使用较低功 率激光器的应用，内部的光斑聚焦问题对元件不是问题，然而，当要求的激光器达到某一强 度，如激光切割中所需要的，扩束镜的内部元件将有被激光打坏的高风险性，而且从外观无 法察觉，大大影响了聚焦光斑的光束质量及强度。 而本申请通过使用负透镜作为第一元件，避免了内部的聚焦问题。与传统的伽利 略式扩束镜不同，为缩短平移距离范围也为了减小波前差，在变倍的第二个正透镜之后添 加了一个附加的负透镜元件，使得在扩束镜内部的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸，因 此保证了内部元件的安全性。而且，该结构的平移距离比传统的伽利略式大为缩短，并且具 有良好的扩束质量，适于使用到高功率激光器领域。 为了缩小平移距离、保证放大倍率，第一透镜和第二透镜之间的距离从12. Imm至 I. 8mm可调；第三透镜和第四透镜之间的距离从81. 7mm至131. 3mm可调。这样平移距离小 于50_，这使得制造具有高同心度的扩束镜镜座成为可能。 为了进一步提高各元件的安全性，同时保证扩束质量，第一透镜前表面为凹面、曲 率为73. 44mm，第一透镜后表面为凹面、曲率为37. 93mm，第一透镜的中心厚度为3. Omm ;第 二透镜前表面为凸面、曲率为21. 50mm，第二透镜后表面为凹面、曲率为63. 40mm，第二透镜 的中心厚度为3. Omm ;第三透镜前表面为凹面、曲率为301. 3mm，第三透镜后表面为凹面、曲 率为51. 35mm，第三透镜的中心厚度为3. 5mm ;第四透镜前表面为平面，第四透镜后表面为 凸面、曲率为223. 48_，第四透镜的中心厚度为5. 0_，各透镜从前表面到后表面的方向与 光束入射方向一致。即本申请从前到后的方向与光束的传播方向一致。 为了进一步保证修正型伽利略式变倍扩束镜的质量，第一透镜由负屈光度的ZnSe 透镜组成，第二透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成，第三透镜由负屈光度的ZnSe透镜组成， 第四透镜由正屈光度的ZnSe透镜组成。 上述修正型伽利略式变倍扩束镜，在放大倍率的可调范围内，输出光束的峰谷波 前误差小于〇. 1波长数。 上述修正型伽利略式变倍扩束镜可用于工作在10. 6um的C02激光器。然而，通过 调整第一透镜和第二透镜之间的距离和第三透镜和第四透镜之间的距离，本申请修正型伽 利略式变倍扩束镜能工作在从可见到长波红外的其它波长。 本专利技术未提及的技术均参照现有技术。 本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜，放大倍率为2X-8X，变倍比为4,最大移动 距离小于50mm，安全性高，使得制造和保持好的偏心率成为可能；可用于10. 6um的C02激 光器，通过微调相邻元件的距离，也可用于其它波长或波段范围内。【附图说明】 图1为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜在2X放大倍率时的剖面示意图。 图2为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜在5X放大倍率时的剖面不意图。 图3为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜在8X放大倍率时的剖面不意图。 图4为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜对应2X-8X放大倍率的发散角度 (mrad)对比图。 图5a为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜不同放大倍率时第一透镜前表面处的 入射光束的尺寸示意图。 图5b为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜不同放大倍率时第三透镜前表面处的 光束尺寸示意图。 图6a为本专利技术修正型伽利略式变倍扩束镜2X放大倍率时的波前图。 图6b为本专利技术修正型伽利略式变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种修正型伽利略式变倍扩束镜，其特征在于：包括沿光束入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的屈光度依次为负、正、负和正；第一透镜和第二透镜之间的距离可调，第三透镜和第四透镜之间的距离可调，第二透镜和第三透镜之间的距离不可调；修正型伽利略式变倍扩束镜的放大倍率为2‑8，在放大倍率的可调范围内，在每个透镜表面的光束尺寸总是大于入射光束的尺寸。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曲英丽，朱敏，王国力，王善忠，
申请(专利权)人：南京波长光电科技股份有限公司，南京爱丁堡环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32