一体式激光聚焦镜制造技术

本发明专利技术涉及一种一体式激光聚焦镜，包括激光聚焦镜镜体，所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有锥面，所述激光聚焦镜镜体的激光入射端的端面设有环状的拱形凸面或与其等效的菲涅尔面型，使入射的高斯分布激光束经传输在光束与激光出射端的圆锥或第一圆台最初相交的截面处形成一个环状的光场分布，经过激光出射端的圆锥或第一圆台出射后，形成近似贝塞尔光束。其能量利用率高，且轴上位置聚焦范围内，输出的近似贝塞尔光束的中心光斑大小和光强基本不变，以利于进行激光微加工，尤其是对大深径比材料的激光微加工。

Integrated Laser Focusing Mirror

The invention relates to an integrated laser focusing mirror, which comprises a laser focusing mirror body. The laser output end of the laser focusing mirror body is provided with a cone surface, and the end face of the laser incident end of the laser focusing mirror body is provided with a circular arch convex surface or an equivalent Fresnel surface, so that the incident Gauss distribution laser beam can be transmitted through a cone or a first circular platform at the beam and the laser output end. At the initial intersection, a circular distribution of light field is formed. After the cone or the first circular platform of the laser emitter is emitted, an approximate Bessel beam is formed. Its energy efficiency is high, and the central spot size and intensity of the output approximate Bessel beam remain basically unchanged in the axial focusing range, which is conducive to laser microfabrication, especially for materials with large aspect ratio.

【技术实现步骤摘要】
一体式激光聚焦镜
本专利技术涉及激光加工领域，尤其涉及一种一体式激光聚焦镜。
技术介绍
贝塞尔光束的光斑直径最小可达波长量级且能在很长的距离内基本保持不变，相比高斯光束具有更长的焦深，因此非常适合用来做激光微加工，特别是在加工大深径比材料中具有不可比拟的优势。理想的贝塞尔光束由于占据无限大的空间并拥有无穷大的能量，无法在现实中实现，但是人们可以通过实验方法获得近似贝塞尔光束。迄今为止，研究人员已经提出了许多种产生贝塞尔光束的实验方法，这些方法大致可以分为两类：主动式和被动式。所谓主动式就是通过特定结构的谐振腔由激光器直接产生贝塞尔光束(又叫谐振腔法)，而被动式是指通过一定的方法将其他光束转换为贝塞尔光束。常见的被动式产生贝塞尔光束的方法主要有：环缝－透镜法，计算全息法，轴锥镜法，球面像差法，空间光调制器法、波导法等。比较上述几种方法，各有优缺点：环缝－透镜法结构简单、易于实现，但是对入射光的能量利用率较低；计算全息法结构也较为简单，但是对全息片有较高的质量要求；球面像差透镜法结构较为灵活，但是球面像差透镜设计与加工工艺复杂，而且中心光斑大小和光强随位置会发生变化；轴锥镜法结构简单，能产生高质量的贝塞尔光束，能量利用率比环缝－透镜法大大提高，是目前激光微加工的主流方式，然后轴锥镜法对轴锥镜加工精度要求较高，实际激光微加工的深度一般在几百个微米到几个毫米的量级，对应入射轴锥面处需要环状光斑，能力利用率虽然比环缝－透镜法高很多，但是还是需要遮挡大量的激光能量，中心光斑大小虽然能保持固定，光强随位置会发生变化，并且有可能存在剧烈的震动，图1为现有技术轴锥镜法提供的平面波通过轴锥镜后的轴上光强分布曲线，上述这些缺点限制了轴锥镜法在激光微加工中的直接应用和推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种一体式激光聚焦镜，其能量利用率高，且轴上位置聚焦范围内，输出的近似贝塞尔光束的中心光斑大小和光强基本不变，以利于进行激光微加工，尤其是对大深径比材料的激光微加工。本专利技术是这样实现的：本专利技术提供一种一体式激光聚焦镜，其特征在于：包括激光聚焦镜镜体，所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有锥面，所述激光聚焦镜镜体的激光入射端设有环状的拱形凸面或与其等效的菲涅尔面型，使入射的激光束经传输在光束与激光出射端设有的锥面最初相交的初交截面处形成一个环状的光场分布，经过激光出射端设有的锥面出射后，在激光聚焦镜出射轴线方向设定范围内形成一个中心光斑大小和光强相对稳定的近似贝塞尔光束。所述初交截面处的环状光场分布为内外侧圆环光强为高斯函数的下降关系，中间光强为与径向半径成反比关系的光场分布，使得截面径向上中间光强对应半径范围内，每一点对应的无限小积分圆环面积上的能量相等，有利于获得轴向分布均匀的光场；所述初交截面处径向的相位与中心相位差不超过2π。所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有圆锥段或第一圆台段，激光聚焦镜镜体的激光出射端设有的锥面为圆锥段侧面或第一圆台段侧面；激光聚焦镜镜体的激光出射端的圆锥段或第一圆台段的轴心线与激光聚焦镜镜体的轴心线位于同一直线上；所述激光聚焦镜镜体中部为圆柱段或第二圆台段。激光聚焦镜镜体的轴心线经过激光聚焦镜镜体激光入射端设有的环状的拱形凸面中心；激光聚焦镜镜体的激光入射端的端面为以激光聚焦镜镜体轴心线为旋转轴，由向外凸的圆弧段旋转360度而成，形成环状的拱形凸面；向外凸的圆弧段一端的端头延伸至激光入射端的端面中心，向外凸的圆弧段另一端的端头延伸至激光入射端的端面最外缘；用于形成近似贝塞尔光束的区域在激光聚焦镜镜体的轴心线上设定范围内。环状的拱形凸面外缘直径与激光聚焦镜镜体的最大圆周直径相等；激光聚焦镜镜体的激光出射端的圆锥段或第一圆台段的最大圆周直径大于或等于光束与激光出射端的圆锥段侧面或第一圆台段侧面最初相交形成的圆周直径；激光聚焦镜镜体的激光出射端的第一圆台段的最小圆周直径小于或等于光束与激光出射端的第一圆台段侧面最末相交形成的圆周直径；入射的高斯分布激光束轴线与激光聚焦镜镜体的轴线在一条直线上。将光场不经过的激光聚焦镜镜体上的部位设置为镂空。当激光聚焦镜镜体的激光出射端为第一圆台段时，激光聚焦镜镜体的内部设有沿轴向延伸的镂空部；所述镂空部为圆锥形，圆锥形镂空部的顶点向激光入射端延伸。在激光聚焦镜镜体的非工作区域设置采用遮光材料遮挡杂光。主要是遮挡输出面的非工作区域。当激光聚焦镜镜体的激光出射端为第一圆台段时，激光聚焦镜镜体的激光出射端端面即第一圆台的上底面上设置遮光材料遮挡杂光。一体式激光聚焦镜为一体成型结构。激光聚焦镜镜体采用光学材料制成。进一步地，能够获得与环状的拱形凸面类似相位分布的菲涅尔透镜结构通过衍射光学元件的方法设计。进一步地，所述一体式激光聚焦镜的入射端、镜体中部以及出射端中心共轴线。进一步地，根据光束聚焦要求，计算镜体内的光场分布范围，按高精度要求进行加工检测成圆锥。进一步地，根据光束聚焦要求，计算镜体内的光场分布范围，只在工作范围对应的圆锥位置，按高精度要求进行加工检测成圆锥。进一步地，根据光束聚焦要求，其入射高斯光束的能量和光斑大小要与之匹配。如增大高斯光束半径，能够增加其无衍射距离。进一步地，入射高斯光束要垂直入射一体式激光聚焦镜，高斯光束轴线，与一体式激光聚焦镜的轴线在一条直线上。进一步地，所述的一体式激光聚焦镜，根据光束聚焦要求，其加工锥面的底角大小要与之匹配。如减小轴锥底角，能增加其无衍射距离。进一步地，所述的一体式激光聚焦镜，根据光束聚焦要求，其材料折射率要与之匹配。如减小轴锥的折射率，能增加其无衍射距离。进一步地，所述的一体式激光聚焦镜镜体的非工作范围可以镂空或去除，以减轻重量。进一步地，所述的一体式激光聚焦镜镜体的非工作范围对应的出射端以及镂空或去除的部位可以放置吸光遮光材料，以去除杂光。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的入射光是高斯分布激光束，从所述激光入射端的环状的拱形凸面(1)或与其等效的菲涅尔面型入射，在中部传输，在光束与激光出射端圆锥或第一圆台最初相交的截面处形成一个环状的光场分布，经过出射端圆锥或第一圆台出射后，在所述的激光聚焦镜镜体中心轴线方向设定范围内形成一个中心光斑大小和光强相对稳定的近似贝塞尔光束。本专利技术的激光聚焦镜镜体的激光入射端的端面设有环状的拱形凸面或与其等效的菲涅尔面型，引入了特定的相位分布，与所述聚焦镜镜体中间圆柱体或圆台体部分达到光束整形和传输的效果，将入射的高斯光束整形成环状光场分布，且使初交截面的环状光场分布为内外侧圆环光强为高斯函数的下降关系，中间光强为与径向半径成反比关系的光场分布，能量利用率高，几乎整个入射激光光斑的能量都能利用，且有利于获得轴向分布均匀的光场。(2)本专利技术的激光聚焦镜采用一体化设计大大简化了安装调试难度，大大降低了安装调试误差。(3)激光聚焦镜镜体的激光入射端的环状的拱形凸面或与其等效的菲涅尔面型，可以采用传统非球面加工方式获得，不需要通过集成电路的光刻工艺获得，加工制作成本大大降低。(4)环状的拱形凸面外缘直径与激光聚焦镜镜体的最大圆周直径相等；激光聚焦镜镜体的激光出射端的圆锥或第一圆台的最大圆周直径大于或等于激光出射端的圆锥或第一圆台最初相交形成的圆周直径；激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体式激光聚焦镜，其特征在于：包括激光聚焦镜镜体，所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有锥面，所述激光聚焦镜镜体的激光入射端设有环状的拱形凸面(1)或与其等效的菲涅尔面型，使入射的激光束经传输在光束与激光出射端设有的锥面最初相交的初交截面(4)处形成一个环状的光场分布，经过激光出射端设有的锥面出射后，在激光聚焦镜出射轴线方向设定范围内形成一个中心光斑大小和光强稳定的近似贝塞尔光束。

【技术特征摘要】
1.一种一体式激光聚焦镜，其特征在于：包括激光聚焦镜镜体，所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有锥面，所述激光聚焦镜镜体的激光入射端设有环状的拱形凸面(1)或与其等效的菲涅尔面型，使入射的激光束经传输在光束与激光出射端设有的锥面最初相交的初交截面(4)处形成一个环状的光场分布，经过激光出射端设有的锥面出射后，在激光聚焦镜出射轴线方向设定范围内形成一个中心光斑大小和光强稳定的近似贝塞尔光束。2.根据权利要求1所述的一体式激光聚焦镜，其特征在于：所述初交截面(4)处的环状光场分布为内外侧(3)圆环光强为高斯函数的下降关系，中间光强(2)为与径向半径成反比关系的光场分布，使得截面径向上中间光强对应半径范围内，每一点对应的无限小积分圆环面积上的能量相等，有利于获得轴向分布均匀的光场；所述初交截面(4)处径向的相位与中心相位差不超过2π。3.根据权利要求1所述的一体式激光聚焦镜，其特征在于：所述激光聚焦镜镜体的激光出射端设有圆锥段(5-1)或第一圆台段(5-2)，激光聚焦镜镜体的激光出射端设有的锥面为圆锥段(5-1)侧面或第一圆台段(5-2)侧面；激光聚焦镜镜体的激光出射端的圆锥段(5-1)或第一圆台段(5-2)的轴心线与激光聚焦镜镜体的轴心线(7)位于同一直线上；所述激光聚焦镜镜体中部为圆柱段(8-1)或第二圆台段(8-2)。4.根据权利要求1或3所述的一体式激光聚焦镜，其特征在于：激光聚焦镜镜体的轴心线(7)经过激光聚焦镜镜体激光入射端设有的环状的拱形凸面(1)中心；激光聚焦镜镜体的激光入射端的端面为以激光聚焦镜镜体轴心线(7)为旋转轴，由向外凸的圆弧段(1-1)旋转360度而成，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，李玫瑰，刘晓东，段光前，赵侠，
申请(专利权)人：江苏先河激光研究院有限公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32