專利名稱：激光束分析裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及分析激光束領域。具體地，涉及分析高功率激光束領域。
背景技術：
常規(guī)的用于分析高功率激光束的裝置包括旋轉針，其起相似刀口的作用。旋轉針將聚焦激光束的少量樣本反射進檢測器。當針旋轉時，它沿著光軸移動并且測量聚焦激光束的束腰。Primes GmbH銷售一種能夠測量達到10千瓦、CW功率的單元。該單元需要仔細對準并且花費許多分鐘來進行測量。它很笨重并且不利于在生產(chǎn)過程中的實時測量。諸如美國專利N0.5，064，284,5, 069，527,5, 078，491,5, 100，231,5, 214，485、5，267，012和5，459，565的多個專利公開了一種使光束通過旋轉刀口然后將焦點沿著光軸平移至檢測器來分析多模激光束的方法。該方法的缺點是裝置笨重并且需要許多移動部件。因此不利于激光束的快速和實時地分析。美國專利N0.5，329，350公開了一種通過利用一對楔形物和第二衰減組件衰減光束來分析激光束的方法。光然后通過透鏡和一系列的部分反射板，其中產(chǎn)生的光束數(shù)量是使用的部分反射性板數(shù)量的兩倍，并且然后將該光束引導到檢測器上以同時地查看多個斑點。這個方法需要相當多的光學器件并且通常地僅限于利用長焦距透鏡分析激光束。因為堆疊一系列板限制了可以測量的束腰并且很難制造允許分析具有遠小于大約三百毫米(300mm)焦距的光束的薄板，因此存在這種限制。在上述專利中公開的較早發(fā)明不能夠使用常規(guī)材料處理系統(tǒng)的全部光學構件來分析光束?，F(xiàn)有技術設備也需要離線測量該激光束。美國專利N0.6，313，910公開了一種孔徑旋轉，該孔徑沿著待分析的束腰的光軸位移。該設備十分地緊湊并且允許更實時地測量，但是包括了減慢測量過程的移動部件，并且沒有提供可接受的衰減裝置來分析數(shù)十千瓦的功率激光。因而需要用于分析高功率激光束的裝置，該裝置是小型的并且沒有移動部件，具有少量的光學器件，使用常規(guī)材料處理系統(tǒng)的全部光學構件，并且以可接受的方式衰減光束使得可以在原處測量該光束。然而，鑒于在做出本發(fā)明時被視為整體的現(xiàn)有技術，對于本領域的技術人員如何克服現(xiàn)有技術的局限性不是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在通過新的、有用的、并且非顯而易見的發(fā)明滿足了對在線實時分析激光束的、沒有移動部件緊湊裝置的長期存在而迄今無法滿足的需求。該新的裝置能夠實時測量和分析由高功率激光器產(chǎn)生的激光束的空間輪廓、圓度、形心、像散和M2值。本裝置采用了在過程應用中使用的光學器件，包括聚焦透鏡和覆蓋玻璃。新裝置采用的最小數(shù)量的光學器件來衰減高功率激光束并且提供了多個聚焦激光斑點。每一個斑點表不感興趣的聚焦束腰的一部分。每一個斑點撞擊到單個CCD、CMOS或任何其他像素化檢測器或相機上。因此本裝置提供了關于激光光束特性的實時數(shù)據(jù)。更具體地，本發(fā)明的使得能夠分析高功率激光束的裝置包括衰減模塊，該衰減模塊包括一對高反射鏡板，該一對高反射鏡板以相對于激光束的共同入射角、以彼此平行隔開的關系設置。該一對高反射鏡板包括第一鏡，該第一鏡在其面向該激光束的源的第一表面上具有抗反射涂層，并且在其背對該源的第二表面上具有高反射性涂層。該一對高反射鏡板進一步地包括第二鏡，該第二鏡在其背對該源的第二表面上具有抗反射涂層，并且在其面向該源的第一表面上具有高反射性涂層。第一束流收集器(beam dump)在該激光束的傳播路徑之外并且以接收由該第一和第二鏡反射的光的關系定位。第一相機檢測通過該第一和第二鏡的光的斑點。該激光束被充分地衰減，使得該激光束可以被該第一相機分析。聚焦透鏡設置在該源和該衰減多斑點模塊之間，并且道威棱鏡(dove prism)設置在該源和該聚焦透鏡之間。第二相機設置在該激光束的傳播路徑之外，并且該道威棱鏡具有第一反射表面，該第一反射表面將至少一些來自該激光束的光反射進該第二相機。高功率衰減器由高反射性鏡對形成并且設置在該源和該道威棱鏡之間。該高反射性鏡對包括具有面向該源的第一表面的第一高反射性鏡和具有面向該源的第一表面的第二高反射性鏡。第二束流收集器設置在該激光束的傳播路徑之外，并且該第一高反射性鏡將來自該源的光反射進該第二束流收集器。第三束流收集器也設置在該激光束的傳播路徑之外，并且該第二高反射性鏡將來自該源的光反射進該第三束流收集器。該第一高反射性鏡以相對于該激光束的傳播路徑成四十五度角定位，并且該第二高反射性鏡以相對于該激光束的傳播路徑成一百三十五度角定位。該第一高反射性鏡造成初始傳播路徑的與折射相關的位移，并且該第二高反射性鏡將該激光束返回到該初始傳播路徑。第一和第二相機是像素化檢測器。每一個均以電荷耦合器件、互補金屬氧化物半導體等形式提供。本發(fā)明的主要目的是使用用于切割、鉆孔、劃線、標記、焊接或其他處理的常規(guī)材料處理系統(tǒng)在原處測量高功率(數(shù)十千瓦，Cff)。另一個目的是提供沒有移動部件的裝置。另一個重要的目標是最小化光學元件的數(shù)量并且避免使用中性密度濾光器。本發(fā)明的這些和其他的重要的目的、優(yōu)點、和特征隨著描述進行將變得清晰。
本發(fā)明相應地包括構造的特征、元件的組合、和部件的布置，其將在下文中闡明的描述中例示并且本發(fā)明的范圍將在權利要求中指示。


為了更全面地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，應該結合附圖參照如下的詳細說明，其中:圖1是新裝置的示圖；圖2是新裝置當配置用于高功率激光器時的示圖；圖3是圖1和圖2的實施例的反射表面的放大圖，其描繪了光如何被衰減并分裂成具有固定軸向延遲的多個光束；圖4是聚焦在像素化檢測器上的光的強度分布和如何通過束腰聚焦該光的圖形描繪；圖5描繪了本發(fā)明的第二實施例；并且圖6是圖5的實施例的反射表面的放大圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考圖1，在那里將看到，新裝置的圖示作為整體通過附圖標記10表示。商用的高功率光纖激光器具有超過十千瓦(IOkW)的功率。一些激光器具有超過二十千瓦(20kW)的功率。新裝置將具有大于十千瓦的功率的光纖激光束12接受進入包括一對高反射鏡板16和18的衰減模塊14。如圖2所示，當新裝置被配置用于高功率激光器時，激光束12擊中第一板20，該第一板20以四十五度(45° )入射角取向。超過百分之九十九(99%)的光被反射到第一水冷高功率束流收集器22以耗散大多數(shù)激光的功率。穿過第一板20的高反射性表面的少量光擊中第一鏡板20的第二表面，其被抗反射涂覆以最小化鬼點反射(ghost reflection)。然后光擊中第二高反射鏡板24,其以負四十五度(45° )入射角取向，也可以描述為以一百三十五度(135° )入射角取向。如圖示，第二高反射鏡板24補償了由第一鏡板20產(chǎn)生的折射相關的光束離散(beamwalk-off)。由補償高反射性鏡24反射的大致百分之九十九(99%)的光被引導向第二水冷束流收集器26。在十千瓦(IOkW)的激光功率進入裝置10的情況下，第一鏡20將大約九千九百瓦(9900W)收集到第一液冷束流收集器22。然后大約一百瓦(100W)擊中第二鏡24，其將九十九瓦(99W)引導進第二液冷束流收集器26。一瓦(IW)的激光功率穿過第二補償器鏡板24。激光束12被引導進被抗反射涂覆的道威棱鏡28。從道威棱鏡28的第一表面的小反射被引導進電荷耦合器件(CCD) 30、未示出的互補金屬氧化物半導體(CMOS)或其他像素化檢測器，以測量激光束12的空間輪廓、形心、和橢率(ellipsivity)。大多數(shù)C⑶和CMOS相機具有對角地遠在一英寸以下的格式。因為準直的、高功率光纖激光的直徑可以超過一英寸，所以，可以使用未示出的光束縮小望遠鏡以縮小進入檢測器30的光束直徑。
道威棱鏡28為光束輪廓相機30提供了無鬼點反射(ghost freereflection)并且剩余光束無偏離地沿光軸傳播至聚焦透鏡32。如圖3所示，一對高反射鏡14在它們各自的高反射性表面16a、18a上被抗反射涂覆。所述對14定位在聚焦透鏡32的下游。同樣地如圖3所示，鏡16、18使各自的高反射性表面16b、18b彼此面對。鏡16、18之間的間隔是可調(diào)整的，從幾微米至超過一毫米(Imm)。通過豎直和水平調(diào)整底座來調(diào)整第二鏡18，來對準兩個鏡14，使得它們相互平行以便形成法布里-珀羅(fabry-perot)共振器布置。如圖1和圖2所示，標稱地一瓦的衰減的功率經(jīng)由首先穿過抗反射涂覆表面16a而入射在第一鏡16上，并且超過百分之九十九(99%)的激光被第一鏡16反射掉并且發(fā)送到簡易束流收集器34上。大約十毫瓦(IOmW)的剩余光穿過第一高反射鏡16并且擊中第二高反射鏡18。這兩個鏡14是相互平行的，所以大約九毫瓦(9mW)的反射光在這兩個鏡之間傳播。每一次反射損失大約其功率的百分之一(1%)。如圖2所示，穿過第二鏡18的百分之一(1%)被引導在適當?shù)?XD、CM0S或其他檢測器36上，來監(jiān)測以特定距離分隔的一系列焦斑(focalspots)，該特定距離由兩個鏡14角度和兩個高反射性表面之間的空氣間隙確定。沿光軸的每一個連續(xù)斑點的delta基于2(d/C0S α )，其中d是鏡14之間的空氣間隔而α是光在鏡上的入射角。當間隔d減小時，在檢測器上斑點之間的delta減小，因此提供了束腰測量的更高分辨率。利用商用軟件分析入射在相機36上所有多個斑點，以確定激光束12的束腰在相機36的透鏡焦點處。相機36的位置設置在，最小斑點在一系列斑點的中間的位置。新系統(tǒng)10可以在相機36上具有極大量的斑點，僅受檢測器尺寸和鏡對14的角度限制。如果光在鏡對14上的入射角太小，這可能產(chǎn)生該光干涉它本身的條件。因此調(diào)整鏡的分隔和角度以防止這種干涉。圖4是聚焦在諸如檢測器36的像素化檢測器上的光的強度分布和如何通過束腰聚焦該光的圖示。圖5描繪了本發(fā)明的第二實施例，其中單個鏡38代替了鏡16、18。圖6是圖5的實施例的反射表面的特寫，描繪了光如何被衰減并分裂成具有固定軸向延遲的多個光束。因而將看到，有效地獲得上述的目的和從上文描述顯而易見的目的，并且因為在上述構造中可以做出特定改變而不偏離本發(fā)明的范圍，意圖是上文描述的或附圖顯示的全部內(nèi)容將被解釋為示例性的而不是限制的含義。同樣地要理解的是，權利要求意圖覆蓋本發(fā)明在此描述的所有一般和特定的特征，并且本發(fā)明的范圍的所有陳述，作為語言，可以被表述為落入其間。
權利要求
1.一種使得能夠分析高功率激光束的裝置，包括: 衰減多斑點模塊，所述衰減多斑點模塊包括一對高反射鏡板，所述一對高反射鏡板以相對于激光束的共同入射角、以彼此平行隔開的關系設置； 所述對包括第一鏡，所述第一鏡在其面向所述激光束的源的第一表面上具有抗反射涂層，并且在其背對所述源的第二表面上具有高反射性涂層； 所述對包括第二鏡，所述第二鏡在其背對所述源的第二表面上具有抗反射涂層，并且在其面向所述源的第一表面上具有高反射性涂層； 第一束流收集器，所述第一束流收集器在所述激光束的傳播路徑之外并且以接收由所述第一和第二鏡反射的光的關系定位；以及 第一相機，所述第一相機用于檢測通過所述第一和第二鏡的光的斑點； 由此所述激光束被充分地衰減，使得所述激光束可以被所述第一相機分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括: 聚焦透鏡，所述聚焦透鏡設置在所述源和所述衰減多斑點模塊之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，進一步包括: 道威棱鏡，所述道威棱鏡設置在所述源和所述聚焦透鏡之間。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，進一步包括: 第二相機，所述第二相機設置在所述激光束的所述傳播路徑之外；并且所述道威棱鏡具有第一反射表 面，所述第一反射表面從所述激光束將至少一些光反射進所述第二相機。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，進一步包括: 高功率衰減器，所述高功率衰減器由高反射性鏡對形成； 所述高功率衰減器設置在所述源和所述道威棱鏡之間； 所述鏡對包括第一高反射性鏡，所述第一高反射性鏡具有面向所述源的第一表面； 所述鏡對包括第二高反射性鏡，所述第二高反射性鏡具有面向所述源的第一表面； 第二束流收集器，所述第二束流收集器設置在所述激光束的所述傳播路徑之外； 所述第一高反射性鏡將來自所述源的光反射至所述第二束流收集器； 第三束流收集器，所述第三束流收集器設置在所述激光束的所述傳播路徑之外；并且 所述第二高反射性鏡將來自所述源的光反射至所述第三束流收集器。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，進一步包括: 所述第一高反射性鏡以相對于所述激光束的所述傳播路徑成四十五度角定位；并且 所述第二高反射性鏡以相對于所述激光束的所述傳播路徑成一百三十五度角定位； 由此所述第一高反射性鏡造成所述傳播路徑的位移，并且所述第二高反射性鏡將所述激光束返回到所述傳播路徑。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括: 所述第一相機是像素化檢測器。
8.根據(jù)權利要求4所述的裝置，進一步包括: 所述第二相機是像素化檢測器。
9.一種能夠分析高功率激光束的裝置，包括: 衰減多斑點模塊，所述衰減多斑點模塊包括以相對于激光束的預定的入射角布置的薄的、高反射鏡板； 所述高反射鏡板在其面向所述激光束的源的第一表面上包括具有高反射性涂層的第一表面，并且在其背對所述源的第二表面上具有高反射性涂層； 第一束流收集器，所述第一束流收集器在所述激光束的傳播路徑之外并且以接收由所述高反射鏡板反射的光的關系定位；以及 第一相機，所述第一相機用于檢測通過所述高反射鏡板的光的斑點； 由此所述激光束被充分地衰減，使得所述激光束可以被所述第一相機分析。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，進一步包括: 聚焦透鏡，所述聚焦透鏡設置在所述源和所述衰減多斑點模塊之間。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，進一步包括: 道威棱鏡，所述道威棱鏡設置在所述源和所述聚焦透鏡之間。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，進一步包括: 第二相機，所述第二相機設置在所述激光束的所述傳播路徑之外；并且所述道威棱鏡具有第一反射表面，所述第一反射表面從所述激光束將至少一些光反射進所述第二相機。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，進一步包括: 高功率衰減器，所述高功率衰減器由高反射性鏡對形成； 所述高功率衰減器設置在所述源和所述道威棱鏡之間； 所述鏡對包括第一高反射性鏡，所述第一高反射性鏡具有面向所述源的第一表面； 所述鏡對包括第二高反射性鏡，所述第二高反射性鏡具有面向所述源的第一表面； 第二束流收集器，所述第二束流收集器設置在所述激光束的所述傳播路徑之外； 所述第一高反射性鏡將來自所述源的光反射至所述第二束流收集器； 第三束流收集器，所述第三束流收集器設置在所述激光束的所述傳播路徑之外；并且 所述第二高反射性鏡把來自所述源的光反射至所述第三束流收集器。
14.根據(jù)權利要求13所述的裝置，進一步包括: 所述第一高反射性鏡以相對于所述激光束的所述傳播路徑成四十五度角定位；并且 所述第二高反射性鏡以相對于所述激光束的所述傳播路徑成一百三十五度角定位； 由此所述第一高反射性鏡造成所述傳播路徑的位移，并且所述第二高反射性鏡將所述激光束返回到所述傳播路徑。
15.根據(jù)權利要求9所述的裝置，進一步包括: 所述第一相機是像素化檢測器。
16.根據(jù)權利要求12所述的裝置，進一步包括: 所述第二相機是像素化檢測器。
全文摘要
一種使得能夠實時測量由高功率激光束產(chǎn)生的激光束的空間輪廓、圓度、形心、像散和M2值的裝置。本裝置采用了在過程應用中使用的光學器件，包括聚焦透鏡和覆蓋玻璃。衰減模塊包括以相對于激光束的共同入射角、以彼此平行隔開的關系設置的一對高反射鏡板。束流收集器在該激光束的傳播路徑之外并且以接收由該第一和第二鏡反射的光的關系定位。相機檢測通過該第一和第二鏡的光的斑點。由高反射性鏡對形成的高功率衰減器定位在源和衰減模塊之間。第二實施例包括具有高反射性表面的單個鏡板。
文檔編號H01S5/0683GK103098319SQ201180028392
公開日2013年5月8日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權日2010年4月8日
發(fā)明者邁克爾·J·斯卡格斯 申請人:Haas激光技術公司