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贝塞尔激光切割头-皮秒切割原理研究

  贝塞尔激光切割头-皮秒切割原理研究:在玻璃激光切割中,不同玻璃材料的烧蚀阈值不同,当贝塞尔光束中心主瓣的激光能量密度高于材料的烧蚀阈值,材料烧蚀宽度即玻璃表面微孔直径,其尺寸取决于贝塞尔光束的中心主瓣直径,同理,玻璃的切割深度取决于光束无衍射传输距离。通常情况下,采用单个轴锥镜产生的贝塞尔光束始于轴锥镜的锥尖位置,若把光学系统最后一个透镜后表面与贝塞尔光束起始位置之间的距离定义为贝塞尔光束的工作距离,则其工作距离很短,且中心主瓣直径和无衍射传输距离较大,不利于激光能量的高度集中,本文结合实际需求和现有情况,设计一套贝塞尔镜头,采用此镜头产生的贝塞尔光束中心主瓣直径小于4μm,无衍射传输距离大于2.4mm,用于一定厚度的玻璃激光切割。
 
  通过采用轴锥镜产生的贝塞尔光束特性结合几何光学设计、衍射分析,本文设计了由轴锥镜与双远心光学系统构成的贝塞尔镜头。其中,双远心光学系统对采用轴锥镜产生贝塞尔光束的中心主瓣直径和无衍射传输距离进行缩小的同时,有效地增大了贝塞尔光束的锥角,产生的高度聚焦光束增强了光束峰值能量并提高了能量转化效率。此外,在一定程度上增大了工作距离,为厚玻璃的加工等应用创造了条件。通过合理设计入射光束直径、轴锥镜底角和双远心光学系统的缩束比等参数,采用此镜头产生的贝塞尔光束中心主瓣直径和无衍射传输距离满足要求。
 
  图1是采用此贝塞尔镜头产生光束的几何光路示意图。透镜L1和L2组成双远心光学系统,其入瞳和出瞳面都位于无穷远,透镜L1的像方焦点与透镜L2的物方焦点重合。其中,双远心光学系统的缩束比定义为β=f2/f1,则缩束后的贝塞尔光束理论无衍射传输距离zmax2和中心主瓣半径ρ0分别为(当轴锥镜底角为小角度时的近似)。
贝塞尔激光切割头
采用轴锥镜和双远心光学系统产生的贝塞尔光束几何光路示意图
 
皮秒激光贝塞尔切割头
  式中,f1和f2分别为透镜L1和L2的焦距,zmax1为采用轴锥镜产生的贝塞尔光束无衍射传输距离,ω为入射光束半径,n为轴锥镜的折射率,γ为轴锥镜的底角,k=2π/λ为波数。
 
  根据图1中的几何关系和光学系统成像公式,可得:
激光加工
 
  式中,θ1和θ2分别为缩束前后的贝塞尔光束半锥角,即贝塞尔光束波矢与光轴的夹角,D1表示缩束前的贝塞尔光束起始位置以透镜L1物方主点为参考点的物距,y和α分别为光线MN入射到透镜L2上相对于光轴的高度和与光轴的夹角。由式(3)——(6)整理得出,缩束后的贝塞尔光束起始位置与透镜L2像方主平面的距离,D2可以表示为
激光切割
 
  由式(7)可以看出,D2与D1成反比,可以通过缩短D1实现D2的增大,即缩短了光路长度的同时,一定程度上增加了工作距离,在加工厚玻璃时可对工作距离的大小进行控制。
 
  根据设计需求,贝塞尔镜头采用γ=2°的轴锥镜(ThorlabsAX252-C)将入射的高斯光束(ω=9mm,以光强的1/e2计算)转换为贝塞尔光束,根据式(1)和式(2),在波长λ=1064nm下,由透镜L1(入瞳直径为25.4mm,f1=152.5mm)和透镜L2(入瞳直径为9mm,f2=10mm)组成的双远心光学系统将贝塞尔光束中心主瓣直径缩小至约3.4μm,无衍射传输距离约为2.46mm.

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