[发明专利]一种激光聚焦耦合装置

说明书

技术领域

本发明专利属于光学和激光技术领域，尤其涉及一种激光聚焦耦合装置。

背景技术

激光聚焦耦合装置可将激光功率聚焦在一定范围内，已广泛应用于激光打标、激光焊接、激光切割及光纤耦合等领域。一般激光聚焦耦合器采用单片球面或非球面透镜，将近平行光聚焦于透镜焦点位置，对目标进行加工或耦合入光纤。由于此种方式透镜焦距固定，因此聚焦后的光斑大小为确定值。但在加工等行业中，往往需要聚焦光斑大小可调以满足不同尺寸的加工需求，因此需要一种聚焦光斑大小可以随时调整，同时聚焦位置不变的聚焦耦合装置。根据几何光学中的变换矩阵方法，光线可以表示为如图1所示传播，以矩阵表示为：

若光线在光学系统的输入平面与输出平面上的坐标矩阵分别为X1和X2，则满足X2＝TX1关系的矩阵T称为光线变换矩阵，是一个2*2阶矩阵。设任意传播方向的光线在系统轴向传输距离L，则光线变换矩阵为：

光线经过焦距为f的透镜后的变换矩阵为：

这里凸透镜焦距为正，凹透镜焦距为负。

当考虑到聚焦过程，由于几何光学不能得到聚焦光斑大小，必须引入波动光学原理进行高斯光束聚焦，如图2所示。透镜焦距为f，入射高斯波长为λ，光束束腰为ω0，透镜上束腰为ω’，聚焦后光斑大小为ω0’。对于入射激光口径较大情况，可以将上述情况简化计算，通过艾里斑半径衡量聚焦光斑大小：

r＝1.22λf/d

其中d为入射激光口径d＝2ω0。因此，可以通过调整透镜前激光光斑大小的方式对聚焦点光斑大小进行调整，同时在入射光斑口径足够大的情况下，聚焦点距离透镜距离维持焦距f不变。

发明内容

本发明提供了一种激光聚焦耦合装置，实现对激光聚焦光斑实现大小调整，同时不改变聚焦点距离的激光聚焦耦合装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光聚焦耦合装置，其特征在于：该装置由四片透镜组成，其中两片固定，两片由步进马达带动独立调整位置。

根据透镜参数计算或实际测量的数据，对所述四片透镜中的两片进行位置调整，获得聚焦光斑大小可调同时聚焦距离不变。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

通过上述本发明的技术方案，本发明专利是一种采用多片透镜组合，步进马达带动，实现对激光聚焦光斑实现大小调整，同时不改变聚焦点距离的激光聚焦耦合装置。装置采用4片透镜组成，光线与主轴夹角以θ表示，与主轴距离以r表示。其中f1、f2为凹透镜构成一组，通过改变两者间距离L1调控其等效焦距，改变f3透镜上的光斑r3大小；f3为凸透镜，通过调整L2大小对发散光进行准直；f4为聚焦透镜保持位置不变(或当聚焦距离稍有变化时进行微调)。通过f1、f2和f3的调整，入射在聚焦透镜f4上的光斑大小发生改变，从而使工作位置B(聚焦位置)光斑大小发生改变。

附图说明

图1是本发明实施例激光聚焦耦合装置中的高斯光束的透镜聚焦示意图；

图2是本发明实施例激光聚焦耦合装置中的聚焦光斑大小与L1的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，为本发明实施例提出的一种激光聚焦耦合装置，该装置由四片透镜组成，其中两片固定，两片由步进马达带动独立调整位置。

根据透镜参数计算或实际测量的数据，对四片透镜中的两片进行位置调整，获得聚焦光斑大小可调同时聚焦距离不变。

根据几何光学，f1面上的光线参数为：

r1＝r0

这里由于入射光线为近平行光，θ0≈0。

f2面上的光线参数为：