一种可变匀化光斑加工头设计+结构说明

      本篇主要想一下怎么用微透镜阵列组来搭建可变/可调匀化光斑的加工头。先讲一下柱面微透镜阵列的效果，然后怎么用多片柱透镜来实现光斑可调，最后在实际设计安装中需要注意什么要点。

       只对光学方案进行讨论，机械结构方案大家有兴趣自己搭一下，还是比较简单的。  

说几句小小的废话

      本来想开个付费文章，但是想想跟我的初衷违背了，既然做了就彻底放开吧，真正去践行打破行业壁垒、经验牢笼。同时也希望大家不吝赐教，多多讨论，碰撞更多火花。  真心希望行业越来越好，初入行的能够得到更好的学习渠道与经验！

祝大家 越来越好！

图1 可变匀化光斑调节光路与效果示意

可变匀化光斑加工头的优势：

• 其一，光斑调节灵活，适配性极强。相较于固定光斑加工头，可变匀化光斑加工头可实现光斑尺寸的连续可调，部分高端产品可实现2mm至200mm范围内的分段连续调节，同时支持方形、矩形等多种光斑形状的切换，能够轻松适配不同尺寸、不同形状的加工工件，无需频繁更换加工头，大幅提升加工灵活性与通用性，尤其适用于泛半导体制程、锂电池制造、锡焊等多规格加工场景。

• 其二，匀化效果优异，加工精度更高。通过专业的光学结构设计，该加工头可将高斯光束转化为能量分布均匀的平顶光斑，匀化程度最高可达95%以上，有效避免了传统光斑中心能量过高、边缘能量不足导致的加工缺陷，如烧蚀、毛刺、尺寸偏差等，确保加工表面平整、尺寸精准，显著提升产品合格率；

• 其三，加工效率提升，适配高功率场景。可变匀化光斑加工头可根据加工需求调节光斑大小，大光斑适配大面积快速加工，小光斑适配精细化加工，实现“高效与精准”的双向兼顾；

• 其四，降低综合成本，延长设备寿命。无需为不同加工场景配备多个固定光斑加工头，减少设备投入成本。

1. 什么是柱面微透镜阵列

柱面微透镜就是由微小尺寸的柱透镜拼接排列而成的透镜阵列。其对光束的整形效果如下：

• 输入光要求：M2＞20激光；

• 微透镜阵列与聚焦透镜阵间的间距不影响匀化效果，但需要尽可能保证通过聚焦透镜的光束尺寸不要太大，否则会有切光导致热效应严重；

• 平行拜访的柱面微透镜阵列，改变其间距，可调节线形光斑的长度，镜片间距控制在0＜l＜2f（f为微透镜焦距）；

• 正交垂直摆放的柱面微透镜阵列，间距改变，不影响光斑尺寸。实现和常规方形孔径的圆透镜阵列一样的效果。

① 单片–线性匀化光斑。

② 两片平行拜访–长度可调的线性匀化光斑

通过调节两微透镜阵列之间的间距即可调节光斑长度

③ 两片正交垂直摆放–方形匀化光斑

 综上，我们知道了：

平行组合能改变光斑长度+垂直摆放能实现方形匀化

 那么组合一下，用两组平行拜访的柱面透镜阵列，每组两片平行摆放，组与组之间正交垂直摆放，就可以得到一个方形匀化光斑，同时每组都能调节其各自方向的光斑长度–也就是X+Y两个边长，实现方形光斑可调的效果了。

       其模型如下：

因为互相垂直的镜片间距变化不改变光斑形状，因此2-3片之间的间距可以固定，即在结构设计时，可以将2-3片作为基准面，而将1片和4片作为调节片。通过两个独立的调节机构分别调节1-2间距d1和3-4间距d2，这样达到独立调节方形光斑两个边长的功能。

本套系统的注意事项：

• 平行排列的两块镜片对准精度高，需要配套微调机构，建议放在镜片1和4上，这就意味着1&4镜片既承载着Z向的位移功能，还需要X/Y偏心功能，需要嵌套的调节机构设计；

  （影响：错位会出现散光，特别是间距拉大的时候更明显）

• 注意高功率应用，截取会导致挡光，产生大量热量，尽可能让每片镜片上光斑尺寸（1/e2）都控制在镜片尺寸的一半以下

• 入射激光至少M2≥20，越大匀化效果越好；

• 建议配备水冷散热模块；

• 高功率应用采用石英阵列与石英透镜；

• 镜片他同轴度尽可能高，对机械件加工要求较高；

• 可做成电动模块；

• 配备锁紧结构；

• 微透镜阵列的焦距选择不要太小，太小容易产生光斑变形（枕形畸变），一般建议子透镜孔径与焦距的比值（f/p）≥5；

• 聚焦模块常规平凸即可，根据实际效果可以考虑使用场镜、非球面镜，但是成本会更高；

1. 首次设计制作，建议4片均选用同一规格的柱透镜阵列焦距例如：f1=f2=20mm，p1=p2=1mm, 镜片尺寸30×30*2mm;

2. 聚焦镜头焦距为200mm；

2. 光斑边长计算公式：

 匀化光斑尺寸计算公式：

       其中f1和f2分别为第一片和第二片微透镜阵列的焦距。从上式可以看出，通过改变两片微透镜阵列的间距d，就可以改变匀化光斑的尺寸，我们就是根据这个公式原来制作这个镜头的！

       1-2镜片和3-4镜片间距调节距离都假设为5-35mm （保留机械件的厚度），那么匀化光斑的边长调节范围为（S1/S2分别为矩形的两边长）：

        Max:  S1=S2=（200/20）×（20+20-5）/20×1=17.5mm

        Min:   S1=S2=（200/20）×（20+20-35）/20×1=2.5mm

可知，该可变光斑的加工头每边边长的变化范围为2.5-17.5mm。

注意事项：

1. 匀化光斑应用建议＞1mm*1mm；

2. 入射光斑直径＞5*p；

3. 高功率记得做好水冷模块；

4. f/p≥5.

加工头产品资料分享（来源炬光官网）：

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