一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统

本发明属于激光加工，更具体地，涉及一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统。

背景技术：

1、传统的玻璃和蓝宝石切割方法是机械方法，其缺点是划线质量较低和精度较低，一般会产生微裂纹，碎裂。机械切割之后，还需要许多额外的耗时后处理步骤达到最终实现部件外部尺寸的所需公差。传统激光切割玻璃为消融机理，存在切口表面形成熔渣、切缝宽、热影响区过大、微裂纹、残余应力、再铸层等缺陷难以完全控制的问题。贝塞尔光束因其无衍射特性和均匀狭长的光场分布，使得在长距离传输中仍能保持稳定的光强，这样能够实现高精度、高效率的加工，减少热影响区域。通过将贝塞尔光束用于深度切割工艺，可以避免之前提到的缺点。因此，研究一种贝塞尔光束整形系统存在重要意义。

2、现有的贝塞尔光束整形系统通常采用轴锥镜直接将高斯光束整形为贝塞尔光束，光束能量集中，只能实现切割功能，在加工过程中无法对pvd、油墨等加工材料进行选择性去除，需要进行二次加工。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，用以解决现有技术无法在一次加工过程中对加工材料进行选择性去除的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，包括：沿着光路方向依次设置的光束整形镜和聚焦镜；

3、光束整形镜的入射面和出射面均为非球面，用于将经过准直后的高斯光束整形为平行出射的平顶光束；

4、聚焦镜的入射面和出射面分别为非球面和平面，用于将平顶光束聚焦为带衍射环的贝塞尔光束。

5、进一步优选地，光束整形镜入射面和出射面的面型参数通过以下方式确定：

6、根据准直后的高斯光束参数，确定光束整形镜入射面的入射光束在光束整形镜入射面上的坐标；

7、将平顶光束在光束整形镜出射面上所产生的平顶光斑的能量分布参数代入到能量守恒关系式中，求解平顶光束在光束整形镜出射面上的坐标；其中，能量守恒关系式表示光束整形镜入射面的入射光束与光束整形镜出射面出射的平顶光束之间的能量守恒关系；

8、根据光束整形镜入射面的入射光束在光束整形镜入射面上的坐标和平顶光束在光束整形镜出射面上的坐标，求解光束整形镜入射面和出射面的面型参数。

9、进一步优选地，上述平顶光斑的能量分布参数包括：平顶光斑的半径和光强分布。

10、进一步优选地，上述能量守恒关系式为：

11、

12、其中，记光束整形镜入射面的入射光束在光束整形镜入射面上的光束截面为光束截面a；光束截面a上的光斑为圆形光斑，记其中心点为点o；r为光束截面a上的任意坐标点p与点o之间的距离；iin(r')为光束截面a上半径为r'处的光强；r'∈[0,r]；rmax为光束截面a上的所有坐标点与点o之间的距离的最大值；r”∈[0,rmax]；记平顶光束在光束整形镜出射面上的光束截面为光束截面b；光束截面b上的光斑为平顶光斑，记其中心点为点为点o’；r为光束截面b上与坐标点p相对应的坐标点到点o’之间的距离；iout(r')为光束截面b上半径为r'处的光强；r'∈[0,r1]；r1为平顶光斑的半径；r”∈[0,r1]。

13、进一步优选地，光束整形镜、第一准直镜和聚焦镜的材料均为熔融石英玻璃。

14、进一步优选地，上述贝塞尔光束整形系统还包括设置在光束整形镜之前的准直镜，用于对高斯光束进行准直。

15、进一步优选地，上述贝塞尔光束整形系统还包括设置在准直镜之前的激光器，用于产生高斯光束。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

17、1、本发明提供了一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，通过光束整形镜将高斯光束在聚焦镜前整形成平顶光斑，由聚焦镜聚焦成带衍射环的贝塞尔光束，衍射环所携带的能量足够在切割过程中将割缝周围的保护性加工材料烧蚀清除，无需二次加工，能够在激光一次加工过程中有效去除油墨等加工材料。与此同时，本发明仅采用包括光束整形镜和聚焦镜的两片式结构，结构简单。

18、2、本发明所提供的两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，光束整形功能与聚焦分离，可以通过更换聚焦镜来实现不同焦深的贝塞尔光束，灵活性较高，适用于不同的激光加工场景。

19、3、本发明所提供的两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，光束整形镜的入射面和出射面均为非球面，聚焦镜的入射面和出射面分别为非球面和平面，非球面加工简单，成本较低，且可以加工为高光洁度的表面，镜片的透过率高，吸收损耗和衍射损耗低，可以承受更高的激光功率。

技术特征：

1.一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，包括：沿着光路方向依次设置的光束整形镜和聚焦镜；

2.根据权利要求1所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，光束整形镜入射面和出射面的面型参数通过以下方式确定：

3.根据权利要求2所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，所述平顶光斑的能量分布参数包括：所述平顶光斑的半径和光强分布。

4.根据权利要求2所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，所述能量守恒关系式为：

5.根据权利要求1-4任意一项所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，所述光束整形镜和所述聚焦镜的材料均为熔融石英玻璃。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，还包括设置在所述光束整形镜之前的准直镜，用于对高斯光束进行准直。

7.根据权利要求6所述的贝塞尔光束整形系统，其特征在于，还包括设置在所述准直镜之前的激光器，用于产生高斯光束。

技术总结本发明公开了一种两片式带衍射环的贝塞尔光束整形系统，属于激光加工技术领域，包括：沿着光路方向依次设置的光束整形镜和聚焦镜；光束整形镜的入射面和出射面均为非球面，用于将经过准直后的高斯光束整形为平行出射的平顶光束；聚焦镜的入射面和出射面分别为非球面和平面，用于将平顶光束聚焦为带衍射环的贝塞尔光束。本发明结构简单，仅采用包括光束整形镜和聚焦镜的两片式结构，即可在激光一次加工过程中有效去除油墨等加工材料。除此之外，本发明中贝塞尔光束的焦深可调，灵活性较高，适用于不同的激光加工场景。技术研发人员：杨泽弘,秦应雄,程伟受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10