專利名稱：連續(xù)激光的時間調(diào)制和空間分束裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連續(xù)激光的時間調(diào)制與空間分束的裝置。它用于將激光器發(fā)出的連續(xù)激光束轉(zhuǎn)換成多束脈沖激光。分束后的脈沖激光峰值功率可以等同于原連續(xù)激光功率。
已有技術(shù)中，(1)脈沖激光的獲得一是通過激光電源的調(diào)制直接輸出脈沖激光(Lasers,The Engineering staff of COHERENT,INC.,ISBN 0-07-011593-1,1980,p34-38)，其缺點(diǎn)是對激光電源的要求很高，由此造成了脈沖激光器整體成本的上升。(2)二是通過機(jī)械斬波調(diào)制的裝置(Lasers,The Engineering staff of COHERENT,INC.,ISBN 0-07-011593-1,1980,p146-149)，其缺點(diǎn)是一部分激光未被利用，造成浪費(fèi)。
(3)空間上將一束激光分成多束激光，通常采用的裝置是用部分透射的反射鏡進(jìn)行分光。強(qiáng)度為Io的激光束Gr經(jīng)過透射率為T1、反射率為R1的分束鏡2后分成兩束光G1、Gr-1光束Gr-1經(jīng)過分束鏡3后又分成兩束光G2、Gr-2，光束Gr-2再經(jīng)過分束鏡4后又分成兩束光G3、Gr-3，若分成n束光需要(n-1)塊分束鏡，如圖1所示(Lasers,TheEngineering staff of COHERENT,INC.,ISBN 0-07-011593-1,1980,p49-51)。這種分束裝置的優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)。但分成n束光需(n-1)塊分束鏡，且需要一定的透射率與反射率的匹配，在分束較多時存在很大的難度。采用此裝置分束的另一個缺點(diǎn)是分束后光束功率的降低，如平均分成n束，則每束光的功率僅為分光前激光功率的1/n。
本發(fā)明的目的是為了克服上述已有技術(shù)中時間調(diào)制與空間分束裝置的缺點(diǎn)，提供一種簡單可靠的分束裝置，它既能將連續(xù)激光轉(zhuǎn)換成脈沖激光，又能將一束光分成任意束光，分束后的脈沖激光峰值功率可以等同于原連續(xù)激光功率。
本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)主要含有四部分，分別是前置聚焦鏡6、轉(zhuǎn)鏡7、后置聚焦鏡8和分束聚焦鏡9，如圖2所示。前置聚焦鏡6和后置聚焦鏡8組成一個共有實(shí)焦點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，該焦點(diǎn)O位于轉(zhuǎn)鏡7的反射面上。具體結(jié)構(gòu)是一臺連續(xù)激光器1，輸出激光束Gr，沿激光束Gr前進(jìn)的方向上，首先經(jīng)過一前置聚焦鏡6，前置聚焦鏡6的焦點(diǎn)焦在轉(zhuǎn)鏡7的反射平面上。沿轉(zhuǎn)鏡7反射光束Gf的前進(jìn)方向上置有后置聚焦鏡8，后置聚焦鏡8的焦點(diǎn)也是焦在轉(zhuǎn)鏡7的反射平面上，并且與前置聚焦鏡的焦點(diǎn)O重合。由轉(zhuǎn)鏡7反射的反射光束Gf經(jīng)后置聚焦鏡8后形成掃描的平行光束Gb，沿平行光束Gb前進(jìn)的方向上置有分束聚焦鏡9，分束聚焦鏡9的焦點(diǎn)焦在樣品10的表面上。樣品10的表面應(yīng)恰好與分束聚焦鏡9的焦平面重合。
上面所說的前置聚焦鏡6和后置聚焦鏡8可以是聚焦透鏡，或者是聚焦反射鏡，或者是組合聚焦鏡。前置聚焦鏡6和后置聚焦鏡8的尺寸及焦距可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。轉(zhuǎn)鏡7是一個正多面柱體，每一面均鍍上對激光全反射的膜層，獨(dú)自構(gòu)成一個反射鏡面。轉(zhuǎn)鏡7反射平面數(shù)m可根據(jù)需要的脈沖激光頻率、脈沖寬度等確定，m取值范圍應(yīng)取m≥5。分束聚焦鏡9由n(n≥1)塊無間隙排列的聚焦鏡構(gòu)成。其大小由脈沖寬度決定，塊數(shù)n由所分光束決定。分束聚焦鏡9是n個聚焦透鏡，或者是n個聚焦反射鏡，或者是n個組合聚焦鏡。
當(dāng)激光器1輸出一束平行的連續(xù)激光束Gr經(jīng)過前置聚焦鏡6后將光束Gj聚焦于轉(zhuǎn)鏡7的一個反射平面上的一點(diǎn)O，經(jīng)反射后形成發(fā)散光束Gf，由于O點(diǎn)恰好是后置聚焦鏡8的焦點(diǎn)位置，因而發(fā)散光束Gf經(jīng)過倒置的后置聚焦鏡8后又還原成平行光束Gb。轉(zhuǎn)鏡7的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致發(fā)散光束Gf在后置聚焦鏡8上的移動。假定轉(zhuǎn)鏡7共有m個反射面，轉(zhuǎn)速為ω，一個反射面的轉(zhuǎn)動將形成一個夾角為θ=(720/m)度的掃描光束，反射面的更迭將導(dǎo)致重復(fù)的掃描，從而使經(jīng)過后置聚焦鏡8后的光束成為一條單向重復(fù)掃描的平行寬帶掃描激光束，其寬度為d=(2fTan(360/m))；它的掃描周期為(1/(mω))。根據(jù)幾何光學(xué)原理，平行激光束經(jīng)過聚焦后將會聚于聚焦鏡的焦點(diǎn)處，移動的平行激光束聚焦后在焦點(diǎn)處的光斑是重疊的。因而平行掃描激光束Gb經(jīng)過分束聚焦鏡9后，在其焦平面也就是樣品10表面上得到多束脈沖激光，其脈沖周期同掃描周期，脈沖寬度即為平行掃描光束移過分束聚焦鏡9中某一塊聚焦鏡的時間。保證進(jìn)入分束聚焦鏡9前的掃描光束不發(fā)散，也不會聚，而是平行的。最后得到的每束脈沖激光的峰值功率等同于原連續(xù)激光(不考慮鏡片損耗)，假定分束聚焦鏡9由n塊同樣的鏡片組成，則在其焦平面的樣品10表面上一束平行光被分成n束，每束激光的脈沖周期為(1/(mω))，脈沖頻率為(mω)，脈沖寬度為(1/(mωn))。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過一套結(jié)構(gòu)簡單性能可靠的上述分束裝置實(shí)現(xiàn)了脈沖激光的產(chǎn)生，大大降低了生產(chǎn)成本。同時可產(chǎn)生多束脈沖激光，脈沖激光束的峰值功率能夠等同于原連續(xù)激光功率，可顯著提高后續(xù)激光加工的生產(chǎn)效率，是激光加工設(shè)備上理想的調(diào)制分束裝置。


圖1是已有技術(shù)3的分束裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明分束裝置結(jié)構(gòu)光路的示意圖。
實(shí)施例如圖2所示的本發(fā)明分束裝置應(yīng)用于煙紙激光穿孔機(jī)上。前置聚焦鏡6和后置聚焦鏡8采用聚焦透鏡，兩者焦距相同，均為82mm，轉(zhuǎn)鏡7共有m=18個反射平面，最高轉(zhuǎn)速3000rpm，分束聚焦鏡采用n=8塊聚焦鏡無間隙地排列，在最高轉(zhuǎn)速時所獲八束脈沖激光的頻率為900Hz，脈沖寬度為138微秒。雖然激光穿孔機(jī)上只裝有一臺激光器1，但一次同時可穿出一排八個孔，使得穿孔機(jī)的效率顯著地提高。
權(quán)利要求
1．一種連續(xù)激光的時間調(diào)制和空間分束裝置，含有輸出為連續(xù)激光束Gr的激光器(1)、聚焦鏡(6)、(8)和分束聚焦鏡(9)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是<1>沿激光器(1)輸出連續(xù)激光束Gr前進(jìn)的方向上，首先是前置聚焦鏡(6)，前置聚焦鏡(6)的焦點(diǎn)O焦在轉(zhuǎn)鏡(7)的反射平面上；<2>沿轉(zhuǎn)鏡(7)反射的反射光束Gf前進(jìn)的方向上置有后置聚焦鏡(8)，后置聚焦鏡(8)的焦點(diǎn)也是焦在轉(zhuǎn)鏡(7)的反射平面上，并與前置聚焦鏡(6)的焦點(diǎn)O重合；<3>沿后置聚焦鏡(8)射出的平行光束Gb前進(jìn)的方向上置有分束聚焦鏡(9)；<4>分束聚焦鏡(9)的焦點(diǎn)焦在樣品(10)的表面上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的分束裝置，其特征在于轉(zhuǎn)鏡(7)是含有m(m≥5)個反射平面的能夠旋轉(zhuǎn)的正多面柱體。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的分束裝置，其特征在于前置聚焦鏡(6)是聚焦透鏡，或者是聚焦反射鏡，或者是組合聚焦鏡。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的分束裝置，其特征在于后置聚焦鏡(8)是聚焦透鏡，或者是聚焦反射鏡，或者是組合聚焦鏡。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的分束裝置，其特征在于分束聚焦鏡(9)是n個聚焦透鏡，或者是n個聚焦反射鏡，或者是n個組合聚焦鏡。
6．根據(jù)權(quán)利要求1或5的分束裝置，其特征在于分束聚焦鏡(9)是由n≥1個聚焦鏡無間隙排列構(gòu)成的。
全文摘要
一種連續(xù)激光的時間調(diào)制和空間分束裝置,包含沿著激光器輸出連續(xù)激光束前進(jìn)方向上,依次置有前置聚焦鏡,含有m(m≥5)個反射平面的正多面柱體的轉(zhuǎn)鏡,與前置聚焦鏡在轉(zhuǎn)鏡的反射平面上共焦的后置聚焦鏡,由n(n≥1)個無間隙排列的聚焦鏡構(gòu)成的分束聚焦鏡。分束聚焦鏡將經(jīng)過調(diào)制的分束后光束聚焦在樣品表面上。上述本發(fā)明的分束裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠地將一束連續(xù)的激光束變成了多束脈沖激光束,是激光加工設(shè)備上理想的分束裝置。
文檔編號G02B26/10GK1231225SQ9811077
公開日1999年10月13日 申請日期1998年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月9日
發(fā)明者錢紅斌, 胡文富, 唐國根, 何世新, 陳蘭英, 吳懷英 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所