[实用新型]一种将高斯光束转换为平顶光束的光学器件

说明书

[技术领域]

本实用新型涉及光学器件，尤其涉及一种将高斯光束转换为平顶光束的光学器件。

[背景技术]

如图2所示，通常激光器出射的激光光束能量分布是高斯光束，即中间能量密度大，越靠向边缘能量密度越小。然而在将高斯光束应用于塑料的同步激光焊接时，常会造成光斑中心已经焊接紧密，但光斑边缘因为能量密度太小，材料还没有焊上的现象。解决此问题，需要将高斯光束整形为平顶光束，实现较均匀的能量密度分布。目前，将高斯光束转换为平顶光束的光学器件有几种：衍射光学元件、非球面透镜组、二元光学元件。这些光学元件虽然能实现边缘陡峭、能量分布平坦的光束分布，然而价格都非常昂贵，且不易于调节光路。而实际上，激光塑料焊接并不像某些激光钻盲孔应用那样对能量密度分布的均匀性要求极其苛刻，其能量密度的最小值和最大值像差20％以内往往是可以接受的。

[发明内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、价格低廉，能够满足塑料激光焊接要求的将高斯光束转换为平顶光束的光学器件。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种将高斯光束转换为平顶光束的光学器件，包括透镜，透镜的形状为圆台，圆台的下底面为光束的入射面；圆台的上底面和锥面为光束的出射面，圆台的上底面和锥面出射的光束汇交在一起形成光斑。

以上所述的将高斯光束转换为平顶光束的光学器件，包括环形的挡光片，环形挡光片布置在入射面上，环形挡光片的内孔为高斯光束的入射孔；圆台的上底面的直径小于入射孔的直径。

以上所述的将高斯光束转换为平顶光束的光学器件，当入射孔的直径为D，上底面的直径为d，圆台母线与下底面的夹角为α，透镜材料的折射率为n，透镜锥面出射光束的出射角为α’时，满足以下条件：

b＝d[1-tαn(α)×tαn(α’-α)]

sin(α’)＝n×sin(α)

D＝d+2b。

本实用新型的光学器件`采用圆台作为光束整形器件，使高斯光束转换为相对均匀能量分布的光束，结构简单、价格低廉，可以满足塑料激光焊接的要求。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例将高斯光束转换为平顶光束的光学器件的结构原理图。

图2是未经整形的高斯光束分布图。

图3是本实用新型实施例整形后的光束分布图。

[具体实施方式]

本实用新型实施例将高斯光束转换为平顶光束的光学器件的结构如图1所示，包括透镜1和环形的挡光片2，透镜1的形状为圆台，透镜圆台的下底面101为高斯光束的入射面，圆台的上底面102和锥面103为光束的出射面。环形挡光片2布置在入射面上，环形挡光片2的内孔201为高斯光束的入射孔。圆台的上底面的直径d小于入射孔的直径D。圆台的上底面102和锥面103出射的光束汇交在一起形成光斑。

为了使圆台的上底面102和锥面103出射的光束汇交在一起完全重合，形成光斑，当入射孔的直径为D，上底面的直径为d，圆台母线与下底面101的夹角为α，透镜1材料的折射率为n，透镜1锥面出射光束的出射角为α’时，需要满足以下条件：

b＝d[1-tαn(α)×tαn(α’-α)]

sin(α’)＝n×sin(α)

D＝d+2b。

本实用新型以上实施例采用了圆台作为光束整形器件，激光束从圆台的下底面入射，此时，激光束被分成两部分，中间的一部分圆形光束直接透过圆台，而边缘的部分光束实际上是个圆环，在圆台的锥面上发生折射，折射后的光束在某个位置与中间的部分光束重合。圆环光束相对圆台的中轴对称，所以从图1中可以看到，叠加的效果是能量密度被均匀化。

为了得到边缘陡峭的均匀光束，以彻底防止边缘小能量密度光束部分对材料加工的影响，用环形挡光片截掉高斯光束的最外层边缘部分。

本实用新型通过选取合适的角度α、顶面直径d和圆台通光孔径D，可以使外层圆环光束和内层圆形光束较好地重合。

以α＝30°，n＝1.5，D＝2Wo即高斯光束束腰直径为例。出射光束能量分布公式如下：I(r)＝I°Exp(-2r²/Wo²)，其中I°为高斯光束中心的光强，r为距离高斯光束中心的距离，Wo为高斯光束束腰半径，I(r)是在距离出射光束中心r处的光强。

通过计算可以得出，整形后的光束L4分布如图3所示，L4＝L1+L2+L3，从图3中可以看到光束L1、L2和L3叠加后的光束L4分布边缘陡峭，最大能量密度与最小能量密度差值小于10％，完全能够满足应用于塑料的同步激光焊接的需求。