專利名稱：可變入射角的激光會聚裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光會聚裝置，特別涉及一種可以改變入射角度的激光會聚裝置。

背景技術：
世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器，40多年來，激光技術與應用發(fā)展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如激光加工、檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術與新學科的出現(xiàn)，大大地推動了傳統(tǒng)產業(yè)和新興產業(yè)的發(fā)展。
激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場，其橫截面的振幅呈高斯分布，故稱高斯光束。高斯光束相對于普通非高斯光有其獨特的特點，其中很重要的特點就是高斯光束存在束腰，在束腰位置高斯光束的等相位面為垂直于光束傳播方向的平面，此時激光可以看作是平行光。
高斯光束能聚焦成極小的光斑，其極限可以小到波長的量級，因此功率密度極高，可用于打孔、切割和焊接等多種加工，也非常適合高密度信息存儲。激光聚焦之后的束腰位置就是激光能量密度最高處，大部分應用中，都是將需要加工的表面定位在此束腰位置。
如果利用激光的過程中，需要使激光斜入射，就涉及到激光入射角的調節(jié)問題。傳統(tǒng)的同軸會聚方法聚光鏡的光軸與樣品表面成一定角度，入射激光與會聚透鏡的光軸重合，此時聚光鏡光軸與樣品表面的夾角就是激光入射角。若要改變入射角，就要改變聚光鏡光軸，而且在調節(jié)聚光鏡的同時為了保證激光與會聚透鏡光軸重合也需要調節(jié)激光光路。同軸會聚方法所需要的角度調節(jié)機構非常復雜，而且調節(jié)過程中要保持會聚點位置固定不變也很困難，不能做到實時調節(jié)，因此需要一種更好的調節(jié)激光入射角的裝置。


發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種可改變入射角的激光會聚裝置，該裝置具有結構簡單、調節(jié)方便、調節(jié)過程中會聚點的位置不變的特點。
本發(fā)明的技術解決方案如下 一種可變入射角的激光會聚裝置，特點在于由擴束鏡、平面反射鏡和會聚透鏡構成，所述的平面反射鏡固定在一個平移臺上，所述的平面反射鏡的反射面與所述的擴束鏡的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡在所述的平移臺帶動下沿激光入射方向做平移運動；所述的平面反射鏡的反射光束通過所述的會聚透鏡會聚后照射在樣品上。
所述的擴束鏡是固定倍率激光擴束鏡。所述的擴束鏡是變倍激光擴束鏡，改變擴束鏡的倍率，可改變會聚點的大小。
所述的會聚透鏡至少由一塊透鏡組成，該會聚透鏡具有較大的通光孔徑。
在所述的會聚透鏡和樣品之間設一塊平凸透鏡，該平凸透鏡和樣品之間填充有折射率相匹配的折射率油。
利用所述的可變入射角的激光會聚裝置調變激光入射角度的方法，包括如下步驟 ①首先調整激光束和所述的擴束鏡，使激光束和所述的擴束鏡同軸；然后調節(jié)所述的平面反射鏡和所述的會聚透鏡，使所述的平面反射鏡反射的激光束與所述的會聚透鏡同軸； ②此時在所述的會聚透鏡的后焦點得到激光束的會聚點，將該會聚點移至樣品的激光入射點，激光入射角即為所述的會聚透鏡的光軸與樣品在會聚點處的法線的夾角，設為β； ③驅動所述的平移臺，平移所述的平面反射鏡，使其移動距離L，則利用下列公式即可計算出激光束的入射角θ 式中f為會聚透鏡的焦距，平面反射鏡遠離樣品在會聚點處的法線時，取+號，接近樣品在會聚點處的法線時取-號。
所述的激光束的入射角θ可調整的變化范圍為 其中D為會聚透鏡的通光孔徑，d為擴束后激光束的直徑。
本發(fā)明的優(yōu)點 本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的調節(jié)裝置結構簡單，調節(jié)方法僅將平面反射鏡平移就可以達到改變激光入射角的目的；由于平面反射鏡反射的激光束為平行光，因此在平移平面反射鏡的過程中，由會聚透鏡會聚的激光光點始終位于會聚透鏡的后焦點上，無需再增加光點位置調節(jié)裝置；會聚光斑大小可變，通過改變擴束鏡的倍率即可改變會聚光斑的大小；角度的可變范圍與會聚透鏡的通光孔徑及焦距f有關，只要增加會聚透鏡的通光孔徑或減小其焦距，即可增大θ角的變化范圍，實現(xiàn)大范圍角度可調。
總之，本發(fā)明具有結構簡單、調節(jié)方便、調節(jié)過程中會聚點的位置不變的特點。



圖1為本發(fā)明改變會聚激光入射角的原理圖； 圖2是本發(fā)明裝置的第一個較佳實施例的第一個狀態(tài)圖； 圖3是本發(fā)明裝置的第一個較佳實施例的第二個狀態(tài)圖； 圖4是本發(fā)明裝置的第二個較佳實施例示意圖；
具體實施例方式 下面參照附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細闡述。
參照圖1所示，圖1為本發(fā)明裝置的原理圖，本裝置包括三部分 1、一個擴束鏡1，該擴束鏡是可變倍率激光擴束鏡，也可以是固定倍率激光擴束鏡，改變擴束鏡1的擴束倍率可改變會聚光束的數(shù)值孔徑，達到改變會聚點大小的目的； 2、一個平面反射鏡2，該平面反射鏡固定在一平移臺上，可以隨一平移臺沿激光入射方向做平移運動； 3、一個會聚透鏡3，該會聚透鏡至少由一塊透鏡組成，該會聚透鏡具有大通光孔徑的特點，其后焦點為激光束腰位置，也是本裝置的工作點。放置樣品4，使其需要激光照射的點落在會聚透鏡3的后焦點上。
應用本發(fā)明進行激光會聚并調整角度的步驟如下 首先調整激光束和擴束鏡1，使激光束和擴束鏡1同軸；然后調節(jié)平面反射鏡2和會聚透鏡3，使反射的激光束與會聚透鏡3同軸； 此時在會聚透鏡3后焦點得到激光會聚點，激光入射角即為會聚透鏡3的光軸與樣品4在會聚點處法線的夾角，設為β； 改變擴束鏡1的倍率，可改變會聚點的大??； 平移平面反射鏡2，使其移動距離L，則根據下列公式即可計算出激光束的入射角。
式中f為會聚透鏡3的焦距，平面反射鏡2遠離樣品4在會聚點處的法線時，取+號，接近樣品4在會聚點處的法線時取-號。
此公式可變換為 θ角的變化范圍為 其中D為會聚透鏡3的通光孔徑，d為擴束后激光束的直徑。
圖2、圖3是本發(fā)明的第一個較佳實施例裝置兩個狀態(tài)圖。
擴束鏡1與入射激光束同軸，激光經擴束鏡1擴束后照射在平面反射鏡2上，平面反射鏡2反射的激光束經會聚透鏡3會聚在樣品4的下表面上， 參考圖2，擴束鏡1還可以是可變倍率的擴束鏡，以改變擴束后的激光束直徑，從而改變入射到樣品4上的激光光斑大小。
會聚透鏡3為大數(shù)值孔徑會聚透鏡，經擴束鏡1擴束的激光束的直徑比會聚透鏡3的通光孔徑小。
平面反射鏡2安裝在平移臺6上，調整平移臺6即可帶動平面反射鏡2沿激光入射方向或反方向平移，從而改變反射的激光束入射到會聚透鏡3的位置。圖2和圖3分別為平移臺6移動到不同的位置時的兩個狀態(tài)，圖2所示，移動平移臺6使平面反射鏡2反射的激光束通過會聚透鏡3的軸心，以此時平移臺6的位置為基準位置，激光入射角為上述的角度β。如圖3所示，移動平移臺6使其偏離基準位置的距離為L，則此時經平面反射鏡2反射的激光束與會聚透鏡3的軸心不重合，使用上述公式即可計算出入射角θ。
圖4是本發(fā)明裝置的第二個較佳實施例的示意圖。對比圖2、圖3所示的第一個較佳實施例，本實施例增加了一個平凸透鏡5，平凸透鏡5和樣品4之間填充折射率油7。
平凸透鏡5凸面的球心在樣品4的上表面上，折射率油的折射率與平凸透鏡5及樣品4的基板具有相同的折射率n。本實施例相對于實施例1功能上的區(qū)別在于，實施例1的聚焦點落在樣品4的下表面，而本實施例可以使聚焦點落在樣品4的上表面，即平凸透鏡5的凸面球心處。使用平凸透鏡5可以使激光入射角θ的上限值增大，其不會產生像差且增大了系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，可以得到更小的光斑。折射率油7可以避免激光在平凸透鏡5的平面產生全反射，并增加了激光的透過率。
根據實施例1所述原理，通過移動平移臺6帶動平面反射鏡2平移，即可改變激光的入射角。
權利要求
1、一種可變入射角的激光會聚裝置，特征在于由擴束鏡(1)、平面反射鏡(2)和會聚透鏡(3)構成，所述的平面反射鏡(2)固定在一個平移臺(6)上，所述的平面反射鏡(2)的反射面與所述的擴束鏡(1)的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡(2)在所述的平移臺(6)帶動下沿激光入射方向做平移運動；所述的平面反射鏡(2)的反射光束通過所述的會聚透鏡(3)會聚后照射在樣品(4)上。
2、根據權利要求1所述的可變入射角的激光會聚裝置，其特征在于所述的擴束鏡(1)是固定倍率激光擴束鏡。
3、根據權利要求1所述的可變入射角的激光會聚裝置，其特征在于所述的擴束鏡(1)是變倍激光擴束鏡，改變擴束鏡(1)的倍率，可改變會聚點的大小。
4、根據權利要求1所述的可變入射角的激光會聚裝置，其特征在于所述的會聚透鏡(3)至少由一塊透鏡組成，該會聚透鏡具有較大的通光孔徑。
5、根據權利要求1所述的可變入射角的激光會聚裝置，其特征是在所述的會聚透鏡(3)和樣品(4)之間設一塊平凸透鏡(5)，該平凸透鏡(5)和樣品(4)之間填充有折射率相匹配的折射率油(7)。
6、利用權利要求1所述的可變入射角的激光會聚裝置調變激光入角度的方法，其特征在于包括如下步驟
①首先調整激光束和所述的擴束鏡(1)，使激光束和所述的擴束鏡(1)同軸；然后調節(jié)所述的平面反射鏡(2)和所述的會聚透鏡(3)，使所述的平面反射鏡(2)反射的激光束與所述的會聚透鏡(3)同軸；
②此時在所述的會聚透鏡(3)的后焦點得到激光束的會聚點，將該會聚點移至樣品(4)的激光入射點，激光入射角即為所述的會聚透鏡(3)的光軸與樣品(4)在會聚點處的法線的夾角，設為β；
③驅動所述的平移臺(6)，平移所述的平面反射鏡(2)，使其移動距離L，則利用下列公式即可計算出激光束的入射角θ
其中f為會聚透鏡(3)的焦距，平面反射鏡(2)遠離樣品(4)在會聚點處的法線時，取+號，接近樣品(4)在會聚點處的法線時取-號。
7、根據權利要求6所述的調變激光入角度的方法，其特征在于所述的激光束的入射角θ的變化范圍為
其中D為會聚透鏡(3)的通光孔徑，d為擴束后激光束的直徑。
全文摘要
一種可變入射角的激光會聚裝置，特點在于其構成包括擴束鏡、平面反射鏡和會聚透鏡，所述的平面反射鏡固定在一個平移臺上，所述的平面反射鏡的反射面與所述的擴束鏡的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡在所述的平移臺帶動下沿激光入射方向做平移運動；所述的平面反射鏡的反射光束通過所述的會聚透鏡會聚后照射在樣品上。本發(fā)明具有結構簡單、使用方便、光斑位置恒定的特點。
文檔編號G02B17/08GK101303447SQ20081003893
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權日2008年6月13日
發(fā)明者趙成強, 徐文東, 李小剛, 洪小剛, 唐曉東 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所