激光合束系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】激光合束系統(tǒng)通過第一全反射模塊和第二全反射模塊分別將S偏振態(tài)激光及P偏振態(tài)激光進(jìn)行全反射處理，使得能夠調(diào)整入射S偏振態(tài)激光和P偏振態(tài)激光的水平和垂直。經(jīng)過全反射處理的S偏振態(tài)激光經(jīng)由第一偏振模塊反射到第二偏振模塊后，由第二偏振模塊進(jìn)行再次反射。經(jīng)過全反射處理的P偏振態(tài)激光則由第二偏振模塊折射到與第二偏振模塊反射的S偏振態(tài)激光的光路上，從而完成S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束。單臺(tái)倍頻激光器隨著頻率增加平均功率會(huì)降低。因此，S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束后，頻率是單臺(tái)激光器的兩倍，而平均功率不變。即相當(dāng)于提高了高頻下的單脈沖能量，從而能夠提高激光的加工速度。
【專利說(shuō)明】激光合束系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高重復(fù)頻率狀態(tài)使用的倍頻激光器，特別是涉及一種將兩臺(tái)倍頻激光器發(fā)射的激光進(jìn)行合束來(lái)提高高重復(fù)頻率下平均輸出功率的激光合束系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在倍頻激光器在工業(yè)微加工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如工業(yè)零部件的打標(biāo)、鉆孔、劃片、焊接、切割以及醫(yī)療器械的微加工、電子元器件封裝、微型部件立體成型等。此外在半導(dǎo)體及微電子學(xué)、光譜分析、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光盤控制、大氣探測(cè)、光化學(xué)、光生物學(xué)、空間光通訊及醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著激光器在工業(yè)應(yīng)用上的普及，工業(yè)設(shè)備對(duì)加工光源提出了更高的要求，不僅在加工精度方面，也包括加工速度要求越來(lái)越快。而倍頻激光器由于其波長(zhǎng)短、聚焦點(diǎn)小的優(yōu)點(diǎn)，聚焦點(diǎn)光斑可小到亞微米數(shù)量級(jí)，從而對(duì)金屬和聚合物的微處理更具優(yōu)越性，可以進(jìn)行小部件的加工。以三倍頻紫外激光器為例，存在問題較多，如在較高重復(fù)頻率下，倍頻激光器的平均輸出功率不夠高，從而影響工業(yè)加工速度?；蚴悄壳岸鄶?shù)倍頻激光器激光均為線性偏振態(tài)輸出，加工例如晶元等某些材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)X-Y軸不對(duì)稱的現(xiàn)象，從而影響了加工效果
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]基于此，有必要提供一種將兩臺(tái)倍頻激光器發(fā)射的激光進(jìn)行合束來(lái)提高高重復(fù)頻率下平均輸出功率的激光合束系統(tǒng)。
[0004]一種激光合束系統(tǒng)，用于將兩束激光合束成一束激光，包括第一全反射模塊、第二全反射模塊、第一偏振模塊及第二偏振模塊；
[0005]所述第一全反射模塊用于將S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊；所述第一偏振模塊用于將入射的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊，所述第二偏振模塊用于將入射的s偏振態(tài)激光反射出去；
[0006]所述第二全反射模塊用于將P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊；所述第二偏振模塊用于將入射的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振模塊反射的S偏振態(tài)激光的光路上。
[0007]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一全反射模塊包括第一全反射鏡和第二全反射鏡，所述第一全反射鏡與所述第二全反射鏡平行設(shè)置，所述第一全反射鏡用于將入射的所述S偏振態(tài)激光反射到所述第二全反射鏡；所述第二全反射鏡用于將所述第一全反射鏡反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊。
[0008]在其中一個(gè)實(shí)施例中，入射到所述第一全反射鏡的S偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第一全反射鏡反射到所述第二全反射鏡的S偏振態(tài)激光的入射角為45°。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第二全反射模塊包括第三全反射鏡和第四全反射鏡，所述第三全反射鏡與所述第四全反射鏡平行設(shè)置，所述第三全反射鏡用于將入射的所述P偏振態(tài)激光反射到所述第四全反射鏡；所述第四全反射鏡用于將所述第三全反射鏡反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，入射到所述第三全反射鏡的P偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第三全反射鏡反射到所述第四全反射鏡的P偏振態(tài)激光的入射角為45°。
[0011 ] 在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一偏振模塊包括第一偏振片，所述第一偏振片用于將所述第一全反射模塊反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第二偏振模塊包括第二偏振片，所述第二偏振片用于將入射的S偏振態(tài)激光反射出去，所述第二偏振片用于將所述第二全反射模塊反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振片反射的s偏振態(tài)激光的光路上。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一偏振片與所述第二偏振片平行設(shè)置。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一偏振片反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片的入射角為θ±0.5°，Θ = arctan(n2/nl)，其中η2為第一偏振片的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一偏振片反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片的入射角為θ，Θ = arctan(n2/nl)，其中n2為第一偏振片的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
[0016]上述激光合束系統(tǒng)通過第一全反射模塊和第二全反射模塊分別將S偏振態(tài)激光及P偏振態(tài)激光進(jìn)行全反射處理，使得能夠調(diào)整入射S偏振態(tài)激光和P偏振態(tài)激光的水平和垂直。經(jīng)過全反射處理的S偏振態(tài)激光經(jīng)由第一偏振模塊反射到第二偏振模塊后，由第二偏振模塊進(jìn)行再次反射。經(jīng)過全反射處理的P偏振態(tài)激光則由第二偏振模塊折射到與第二偏振模塊反射的s偏振態(tài)激光的光路上，從而完成S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束。單臺(tái)倍頻激光器隨著頻率增加平均功率會(huì)降低。因此，S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束后，頻率是單臺(tái)激光器的兩倍，而平均功率不變。即相當(dāng)于提高了高頻下的單脈沖能量，從而能夠提高激光的加工速度。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為激光合束系統(tǒng)的模塊圖；
[0018]圖2為激光合束系統(tǒng)的原理圖；
[0019]圖3為S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光合成不意圖；
[0020]圖4為第一激光器在10kHz下的激光脈沖示意圖；
[0021]圖5為第二激光器在10kHz下的激光脈沖示意圖；
[0022]圖6為采用激光合束系統(tǒng)將圖4和圖5中激光合束后的激光脈沖示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，為激光合束系統(tǒng)的模塊圖。
[0024]—種激光合束系統(tǒng)，用于將兩束激光合束成一束激光，包括第一全反射模塊101、第二全反射模塊201、第一偏振模塊102及第二偏振模塊202。
[0025]所述第一全反射模塊101用于將S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊102 ;所述第一偏振模塊102用于將入射的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊202，所述第二偏振模塊202用于將入射的S偏振態(tài)激光反射出去。
[0026]所述第二全反射模塊201用于將P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊202 ;所述第二偏振模塊202用于將入射的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振模塊202反射的S偏振態(tài)激光的光路上。
[0027]請(qǐng)結(jié)合圖2。
[0028]第一全反射模塊101包括第一全反射鏡1011和第二全反射鏡1012，所述第一全反射鏡1011與所述第二全反射鏡1012平行設(shè)置，所述第一全反射鏡1011用于將入射的所述S偏振態(tài)激光反射到所述第二全反射鏡1012 ;所述第二全反射鏡1012用于將所述第一全反射鏡1011反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊102。
[0029]具體的，第一全反射鏡1011與第二全反射鏡1012的中心法線重合，即S偏振態(tài)激光入射到第一全反射鏡1011中心位置時(shí)，由第一全反射鏡1011的中心位置再反射到第二全反射鏡1012的中心位置。
[0030]入射到所述第一全反射鏡1011的S偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第一全反射鏡1011反射到所述第二全反射鏡1012的S偏振態(tài)激光的入射角為45°。
[0031]以45°的入射角發(fā)射到第一全反射鏡1011和第二全反射鏡1012，用于調(diào)整S偏振態(tài)激光的水平和垂直，避免反射到第一偏振模塊102上的S偏振態(tài)激光的入射角無(wú)法滿足反射條件，使得經(jīng)過第二偏振模塊202折射出的P偏振態(tài)激光無(wú)法與S偏振態(tài)激光重合。
[0032]第二全反射模塊201包括第三全反射鏡2011和第四全反射鏡2012，所述第三全反射鏡2011與所述第四全反射鏡2012平行設(shè)置，所述第三全反射鏡2011用于將入射的所述P偏振態(tài)激光反射到所述第四全反射鏡2012 ;所述第四全反射鏡2012用于將所述第三全反射鏡2011反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊202。
[0033]具體的，第三全反射鏡2011與第四全反射鏡2012的中心法線重合，即P偏振態(tài)激光入射到第三全反射鏡2011中心位置時(shí)，由第三全反射鏡2011的中心位置再反射到第四全反射鏡2012的中心位置。
[0034]入射到所述第三全反射鏡2011的P偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第三全反射鏡2011反射到所述第四全反射鏡2012的P偏振態(tài)激光的入射角為45°。
[0035]以45°的入射角發(fā)射到第三全反射鏡2011和第四全反射鏡2012，用于調(diào)整P偏振態(tài)激光的水平和垂直，避免反射到第二偏振模塊202上的P偏振態(tài)激光的入射角無(wú)法滿足折射條件，使得經(jīng)過第二偏振模塊202折射出的P偏振態(tài)激光無(wú)法與S偏振態(tài)激光重合。
[0036]第一偏振模塊102包括第一偏振片1021，所述第一偏振片1021用于將所述第一全反射模塊101反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊202。
[0037]第二偏振模塊202包括第二偏振片2021，所述第二偏振片2021用于將入射的S偏振態(tài)激光反射出去，所述第二偏振片2021用于將所述第二全反射模塊201反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振片1021反射的S偏振態(tài)激光的光路上。
[0038]第一偏振片1021與所述第二偏振片2021平行設(shè)置。
[0039]請(qǐng)結(jié)合圖3。
[0040]第一偏振片1021反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片2021的入射角為θ±0.5°，Θ = arctan(n2/nl)，其中η2為第一偏振片1021的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
[0041]優(yōu)選地，第一偏振片1021反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片2021的入射角為θ，θ = arctan(n2/nl)，其中n2為第一偏振片1021的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
[0042]基于上述所有實(shí)施例，激光器采用紫外激光器，兩天激光器垂直方式。互相垂直的兩臺(tái)激光器的發(fā)出的激光為線偏振光。激光器輸出的激光可以是線偏振光，也可以是圓偏光通過λ/4波片整形成線偏光。兩束光可以是互相垂直的線偏光。也可以是平行的線偏光，其中一束通過λ/2波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，變?yōu)槠駪B(tài)相互垂直的激光。激光器波長(zhǎng)不限。
[0043]激光器的輸出脈沖是交錯(cuò)輸出，即一束激光以一定的頻率發(fā)射脈沖，另外一束激光以相同的頻率滯后上一束激光周期的一半時(shí)間發(fā)射脈沖.
[0044]基于上述所有實(shí)施例，激光合束系統(tǒng)的工作原理如下:
[0045]假設(shè)第一激光器在10kHz下發(fā)射S偏振態(tài)激光，激光脈沖序列如圖4所不。第二激光器在10kHz下發(fā)射P偏振態(tài)激光，激光脈沖序列如圖5所不。第一激光器和第二激光器發(fā)射的激光頻率相同，且第二激光器以相同的頻率滯后第一激光器周期的一半時(shí)間發(fā)射脈沖。
[0046]S偏振態(tài)激光依次經(jīng)過第一全反射鏡1011和第二全反射鏡1012后，反射到第一偏振片1021。第一偏振片1021將經(jīng)過全反射后的S偏振態(tài)激光反射到第二偏振片2021上。第二偏振片2021將入射的S偏振態(tài)激光反射出去。
[0047]P偏振態(tài)激光依次經(jīng)過第三全反射鏡2011和第四全反射鏡2012后，反射到第二偏振片2021上。第二偏振片2021將入射的P偏振態(tài)激光折射到與第二偏振片2021反射的S偏振態(tài)激光的光路上。即完成S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束。
[0048]其中，S偏振態(tài)激光入射到第二偏振片2021的入射角Θ由第二偏振片2021的折射率和光路所處環(huán)境的折射率決定，具體為θ±0.5°，θ = arctan(n2/nl)，其中η2為第一偏振片1021的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
[0049]經(jīng)由第二偏振片2021合束后的激光脈沖序列如圖6所示。從圖6中可以看出，單數(shù)激光輸出頻率10kHz，合成后激光脈沖輸出間隔變?yōu)?0 μ s，重復(fù)頻率變?yōu)?0kHz。同樣需要高頻的激光序列時(shí)，單臺(tái)激光器的重復(fù)頻率為所需頻率的一半，從而增加高頻下的平均輸出功率。一般來(lái)說(shuō)，單臺(tái)倍頻激光器隨著頻率的增加，平均功率會(huì)降低。而采用激光合束后，如圖6所示，頻率是單臺(tái)激光器的2倍，而平均功率不變。相當(dāng)于提高了高頻下的單脈沖能量，從而能提高激光在加工過程中的速度。
[0050]上述激光合束系統(tǒng)通過第一全反射模塊101和第二全反射模塊201分別將S偏振態(tài)激光及P偏振態(tài)激光進(jìn)行全反射處理，使得能夠調(diào)整入射s偏振態(tài)激光和P偏振態(tài)激光的水平和垂直。經(jīng)過全反射處理的S偏振態(tài)激光經(jīng)由第一偏振模塊102反射到第二偏振模塊202后，由第二偏振模塊202進(jìn)行再次反射。經(jīng)過全反射處理的P偏振態(tài)激光則由第二偏振模塊202折射到與第二偏振模塊202反射的S偏振態(tài)激光的光路上，從而完成S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束。單臺(tái)倍頻激光器隨著頻率增加平均功率會(huì)降低。因此，S偏振態(tài)激光與P偏振態(tài)激光的合束后，頻率是單臺(tái)激光器的兩倍，而平均功率不變，即相當(dāng)于提尚了尚頻下的單脈沖能量，從而能夠提尚激光的加工速度。
[0051]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光合束系統(tǒng)，用于將兩束激光合束成一束激光，其特征在于，包括第一全反射模塊、第二全反射模塊、第一偏振模塊及第二偏振模塊； 所述第一全反射模塊用于將S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊；所述第一偏振模塊用于將入射的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊，所述第二偏振模塊用于將入射的S偏振態(tài)激光反射出去； 所述第二全反射模塊用于將P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊；所述第二偏振模塊用于將入射的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振模塊反射的S偏振態(tài)激光的光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一全反射模塊包括第一全反射鏡和第二全反射鏡，所述第一全反射鏡與所述第二全反射鏡平行設(shè)置，所述第一全反射鏡用于將入射的所述S偏振態(tài)激光反射到所述第二全反射鏡；所述第二全反射鏡用于將所述第一全反射鏡反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第一偏振模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，入射到所述第一全反射鏡的S偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第一全反射鏡反射到所述第二全反射鏡的S偏振態(tài)激光的入射角為45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二全反射模塊包括第三全反射鏡和第四全反射鏡，所述第三全反射鏡與所述第四全反射鏡平行設(shè)置，所述第三全反射鏡用于將入射的所述P偏振態(tài)激光反射到所述第四全反射鏡；所述第四全反射鏡用于將所述第三全反射鏡反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，入射到所述第三全反射鏡的P偏振態(tài)激光的入射角為45° ;所述第三全反射鏡反射到所述第四全反射鏡的P偏振態(tài)激光的入射角為45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一偏振模塊包括第一偏振片，所述第一偏振片用于將所述第一全反射模塊反射出來(lái)的S偏振態(tài)激光反射到所述第二偏振模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第二偏振模塊包括第二偏振片，所述第二偏振片用于將入射的S偏振態(tài)激光反射出去，所述第二偏振片用于將所述第二全反射模塊反射出來(lái)的P偏振態(tài)激光折射到與所述第二偏振片反射的S偏振態(tài)激光的光路上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一偏振片與所述第二偏振片平行設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一偏振片反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片的入射角為θ±0.5°，Θ = arctan(n2/nl)，其中η2為第一偏振片的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光合束系統(tǒng)，其特征在于，所述第一偏振片反射的S偏振態(tài)激光入射到所述第二偏振片的入射角為θ，Θ = arctan(n2/nl)，其中n2為第一偏振片的折射率，nl為光路所處環(huán)境的折射率。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK104503098SQ201410693817
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】郭麗, 呂啟濤, 何柏林, 高云峰 申請(qǐng)人:大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司