LBTEK 贝塞尔加工头——技术说明

一. 概述

LBTEK 贝塞尔加工头（Bessel Processing Head，BPH）是一种用于激光加工系统终端的光学模组，由折射和衍射型光学元件共同集成于金属机械套筒中组成，通过锥透镜的光场调控作用和双远心光学系统的光束整形作用，能够生成满足激光加工要求的贝塞尔光束。

LBTEK 贝塞尔加工头适用于单模激光；其光学元件部分采用了高透过率基材，具有较高的能量利用率；紧凑的模块化结构易于集成，对各种激光加工系统有着较好的适配度；通过独特的光学设计，可实现非常小的像差；出射光斑中心主瓣尺寸＜Ø2 μm，可实现0.2 mm-12 mm深度范围（包含定制）内小崩边、小热影响区域、无锥度的切割效果。

二. 产品外观

LBTEK 贝塞尔加工头由折射和衍射型光学元件共同集成于金属机械套筒中组成——衍射型光学元件具体为平板锥透镜，用于生成贝塞尔光束；折射型光学元件具体为两透镜构成的双远心光学系统，用于对贝塞尔光束进行光束整形。其入射端带有λ/4波片，固定于旋转调整架中，通过旋转波片至合适角度（使入射线偏振高斯光的偏振方向与旋转调整架上的刻线平行），可以使入射线偏振光转化为左旋圆偏振光，以便后续生成贝塞尔光束，其椭偏度＞43 %。加工头出射端尺寸规格为半英寸或1英寸。

图1 贝塞尔加工头外观结构（BPH-1064-6-1为例）

三. 光学性能

1. 参数说明

LBTEK 贝塞尔加工头的关键构成部分分别为平板锥透镜和双远心光学系统：前者作为贝塞尔光束转换器，将特定偏振态的高斯光转换为无衍射贝塞尔光束，后者则对贝塞尔光束的偏转角进行调制，缩小其中心主瓣直径和无衍射传输距离（即空气焦深），产生高度聚焦光束，增强光束峰值能量，提高能量转化效率，在一定程度上增大了工作距离，使其适用于特定工作距离下的加工需求，同时为较厚材料的加工创造了条件。需要关注的参数常有：

• 入射光束直径D（@1/e²），平板锥透镜的偏转角θ（半角）。入射光束直径D和平板锥透镜的偏转角θ决定了初始贝塞尔光束的无衍射距离Z_max1及偏转角度θ₁（详见平板锥透镜技术说明页面）——

；

• 双远心光学系统的缩束比m。双远心光学系统的缩束比m决定了终端贝塞尔光束的无衍射距离（即贝塞尔加工头的空气焦深）Z_max2，该参数影响着贝塞尔加工头的切割深度；也决定了偏转角θ2，其关系具体遵循——

；

• 出射贝塞尔光束的中心光斑尺寸D’（@FWHM）及工作距离d。出射中心光斑尺寸D’范围内的光束能量密度高于材料的烧蚀阈值，得以实现材料烧蚀，因此基材表面的切割微孔直径取决于贝塞尔光束的中心主瓣直径D’，具体遵循——

其中，k=2π/λ为波数。综上，通过合理设计入射光束直径D、平板锥透镜偏转角θ和双远心光学系统的缩束比m等参数，能够得到中心光斑尺寸D’和无衍射传输距离Z_max2满足加工要求的贝塞尔光束。

图2 贝塞尔加工头参数示意

2. 使用步骤

贝塞尔加工头的安装使用步骤如下：

• 检查光源光束是否符合贝塞尔加工头的入射光要求，主要包括——波长（1064 nm），能量分布（高斯分布），光斑尺寸（@1/e^2）,光束会聚或发散情况（要求准直），光束平直与否（确保正入射）；
• 光源入射至贝塞尔加工头后，需确保整个系统居中平行于光轴，避免偏心。调节方式有——x、y左右调节；左右偏转、俯仰偏转调节。

如下图，分别展示了偏心和非偏心状态下出射光在远场的能量分布。当能量分布左偏（左侧能量高于右侧能量）时，可以将贝塞尔加工头左移或将光源右移；当能量分布右偏（右侧能量高于左侧能量）时，可以将贝塞尔加工头右移或将光源左移。

对正                                              左偏                                               右偏

图3 贝塞尔加工头出射光在偏心入射和非偏心入射条件下的远场能量分布

• 确保高斯光源的偏振方向与加工头入射端波片处的刻线方向平行，以保证入射至平板锥透镜的光束为左旋圆偏振态。具体可依照以下过程——

贝塞尔加工头入射端波片处标记有一条刻线，当入射高斯线偏光的偏振方向与刻线平行时，则可确保入射到平板锥透镜中的光为左旋圆偏振光，并产生无衍射贝塞尔光束。但是在实际使用过程中，入射光偏振方向并不能被直接观察到，确认偏振方向与刻线平行是较为困难的事情。因此，建议通过观察出射光形貌来判断是否得到了高质量的贝塞尔光束。

旋转安装有λ/4波片的旋转调整架，可观察到出射距离200 mm处的光束能量分布呈现为三种不同状态：出射光呈现为双环能量分布；出射光仅剩双环中较宽的内环；出射光仅剩双环中较细的外环。当出射光能量分布为前述的第三种情况时，则入射线偏振光被波片转化为左旋圆偏振光并经由平板锥透镜生成了右旋圆偏振的贝塞尔光束。

经过λ/4波片后的光束偏振态依次为：椭圆偏振、右旋圆偏振、左旋圆偏振

图4 贝塞尔加工头出射光在不同入射光偏振态条件下的远场能量分布

LBTEK 贝塞尔加工头——应用案例

1. 玻璃切割

贝塞尔光束是一种无衍射光束，通常由锥透镜产生，具有焦深长、聚焦光斑小的特点，可实现较长的切割深度，因此常用于玻璃、陶瓷和蓝宝石等透明脆性材料的加工。贝塞尔加工头作为一种激光加工用贝塞尔光束整形模组，其出射光束的切割效果崩边小，无锥度，热影响区域小，适用的材料厚度范围更广，可以实现更好的切割质量。

贝塞尔加工头用于玻璃切割的效果