[发明专利]一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种修正型伽利略式变倍扩束镜及其应用，属于光学领域。

背景技术

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年由彭红攀等人发明的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×-6.79×，放大率变倍比为1.6X，平移距离是97.4mm，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。

发明内容

为了解决现有技术中平移距离大、损伤阈值低等缺陷，本发明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，本发明所采用的技术方案如下：

一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×至8×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。