CN102789066A - 激光光束转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光光束转换装置及方法，该装置包含一极化偏转元件、一分光元件、一第一光学模块、一第二光学模块以及一第三光学模块。极化偏转元件在接收一主激光光束后，会将其转换为具有一第一偏振方向的一第一次激光光束和具有一第二偏振方向的一第二次激光光束，并将其朝分光元件射入。具有第一偏振方向的第一次激光光束穿透分光元件，并通过第三光学模块聚焦于一第一焦点。具有第二偏振方向的第二次激光光束经分光元件反射后，依序经过第一光学模块及第二光学模块的转换及反射，并通过第三光学模块聚焦于与第一焦点相异的一第二焦点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光光束转换装置及方法，尤其涉及一种将一主激光光束转换为具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束，并分别将其聚焦于一第一焦点及一第二焦点的激光光束转换装置及方法。
背景技术
伴随着科技的进步，各式科技产品主流趋势已逐渐朝轻薄短小的方向发展，现有的传统加工技术，诸如模具冲压、钻孔以及切削等等的方式，因其精密度受限于本身的特质，已无法满足一般业界的需求以及消费者的期待。相比之下，激光因为具有单色性、低发散性、高能量密度以及高度相干性等特点，因而赋予了激光加工技术具备如：加工密度高、可提供较精细的作业以及可进行非接触性加工等优势。进而，激光加工技术已被广泛地应用于现在的诸多产业之中，并且已渐渐地取代传统的加工方式。
不过，纵然现今使用在产业的激光加工技术已具有相当成熟性，但仍存在有其局限，例如现有技术在材料上进行激光加工以及量测作业时，常需依据不同的外观设计，在同一区域上设定相异的焦点位置，或在不同厚度上重复至少二次或以上的激光加工扫描步骤，尤其，当被加工物的厚度或表面具有较大的数值变化时，更是会倍数增加重复进行激光加工扫描的次数，因此，由于前述激光加工扫描步骤次数的增加，也就连带地使加工时间更长，从而导致生产效率的降低，并且还可能进一步延伸出重复扫描时的定位偏移的问题。
因此，如何提供一激光光束转换装置及方法，使入射的单一激光光束可形成具有相异二焦点的二个次激光光束，从而提高生产效率与加工品质，则为业界所亟需共同努力的目标。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种激光光束转换装置，使入射的一单一主激光光束可形成具有相异二焦点的二个次激光光束，从而减少激光加工时所需的扫描次数，以进一步提高生产效率。
本发明的又一目的在于提供一种可分别调整二个次激光光束的能量大小以及焦点位置的激光光束转换装置，使其可因应不同的加工需求，针对相同的材料或表面进行相异二焦点的激光加工及量测作业。
为达到上述目的，本发明提供的激光光束转换装置包含一极化偏转元件、一分光元件、一第一光学模块、一第二光学模块以及一第三光学模块；
一极化偏转元件，用以接收一主激光光束，并将其转换为具有一第一偏振方向之一的一第一次激光光束和具有一第二偏振方向之一的一第二次激光光束后射入分光元件；
一分光元件，用以接收来自该极化偏转元件的该第一次激光光束及该第二次激光光束，且允许具有该第一偏振方向的该第一次激光光束穿透，并反射具有该第二偏振方向的该第二次激光光束；
一第一光学模块，邻设在该分光元件的一第一侧边，以接收并反射该第二次激光光束；
一第二光学模块，邻设在该分光元件的一第二侧边，以接收并反射该第一次激光光束及该第二次激光光束其中之一；以及
一第三光学模块，邻设在该分光元件的一第三侧边；
其中，具有该第一偏振方向的该第一次激光光束及具有该第二偏振方向的该第二次激光光束经该分光元件、该第一光学模块、该第二光学模块及该第三光学模块的转换后，分别聚焦于相异的一第一焦点及一第二焦点。
本发明还提供一种激光光束转换方法，该方法包括以下步骤：
(a)将一主激光光束转换为具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束；
(b)将具有该第一偏振方向的该第一次激光光束聚焦于一第一焦点；以及
(c)将具有该第二偏振方向的该第二次激光光束聚焦于与该第一焦点相异的一第二焦点。
为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文将以较佳实施例配合所示附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明激光光束转换装置的立体示意图；
图2为本发明激光光束转换装置实施例一的示意图；
图3为本发明激光光束转换装置实施例二的示意图；
图4为本发明激光光束转换装置实施例三的示意图；
图5为本发明激光光束转换装置实施例四的示意图；
图6为本发明激光光束转换方法实施例一的步骤示意图；
图7为本发明激光光束转换方法实施例二的步骤示意图。
附图标记说明：
1：激光光束转换装置；
2：主激光光束；
21：具有第一偏振方向P的第一次激光光束；
22：具有第二偏振方向S的第二次激光光束；
23：具有第一偏振方向P的第二次激光光束；
24：具有第二偏振方向S的第一次激光光束；
3：极化偏转元件；
4：分光元件；
5：第一光学模块；
51：第一次极化偏转元件；
52：第一反射元件；
53：第三次极化偏转元件；
6：第二光学模块；
61：第二次极化偏转元件；
62：第二反射元件；
63：第一透镜；
64：第四次极化偏转元件；
7：第三光学模块；
71：第二透镜；
8：工件；
81：第一焦点；
82：第二焦点。
具体实施方式
图1为本发明激光光束转换装置的立体示意图。如图1所示，当一主激光光束2入射于激光光束转换装置1后，其将通过激光光束转换装置1内部元件的反射及转换，而成为具有第一偏振方向P的第一次激光光束21和具有第二偏振方向S的第二次激光光束22后射出，并分别在一工件8上形成一第一焦点81及与第一焦点81相异的一第二焦点82，以针对工件8的表面进行相异二焦点的激光加工作业，进而提高生产效率。
图2为本发明激光光束转换装置实施例一的示意图。如图2所示，本发明的激光光束转换装置1包含一极化偏转元件3、一分光元件4、一第一光学模块5、一第二光学模块6以及一第三光学模块7。在本实施例中，第一光学模块5与第二光学模块6相对设置，且第三光学模块7与极化偏转元件3相对设置。此外，本发明的分光元件4具有允许具有第一偏振方向P的激光光束穿透，且反射具有第二偏振方向S的激光光束的特性。
详细而言，在本实施例中，第一光学模块5较佳可包含一第一次极化偏转元件51和一第一反射元件52，第二光学模块6较佳可包含一第二次极化偏转元件61、一第二反射元件62和一第一透镜63，且第三光学模块7较佳为一第二透镜71。其中，第一次极化偏转元件51具有使具有第二偏振方向S的激光光束转换为具有第一偏振方向P的激光光束，且允许具有第一偏振方向P的激光光束穿透的特性。相似地，第二次极化偏转元件61具有使具有第一偏振方向P的激光光束转换为具有第二偏振方向S的激光光束，且允许具有第二偏振方向S的激光光束穿透的特性。
以下将分别针对具有第一偏振方向P的第一次激光光束21、以及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22的光束行进路线进行说明。
请再次参照图2，并请同时参照图1。首先，当具有第一偏振方向P的第一次激光光束21入射于分光元件4后，由于分光元件4允许具有第一偏振方向P的激光光束通过，所以，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光元件4，并通过第三光学模块7(即第二透镜71)的作用，聚焦在工件8上的第一焦点81。
在此同时，当具有第二偏振方向S的第二次激光光束22入射于分光元件4后，由于分光元件4会反射具有第二偏振方向S的激光光束，因此，具有第二偏振方向S的第二次激光光束22被分光元件4所反射，继而进入第一光学模块5。其后，具有第二偏振方向S的第二次激光光束22将被第一光学模块5的第一次极化偏转元件51转换成具有第一偏振方向P的第二次激光光束23，并经第一光学模块5的第一反射元件52反射后，依序入射与穿透第一次极化偏转元件51与分光元件4，而抵达相对于第一光学模块5设置的第二光学模块6。紧接着，具有第一偏振方向P的第二次激光光束23将先通过第二光学模块6的第一透镜63，且第二光学模块6的第二次极化偏转元件61再次将具有第一偏振方向P的第二次激光光束23转换为具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，并利用第二光学模块6的第二反射元件62将其反射，而依序入射及穿透第二次极化偏转元件61与第一透镜63后，到达分光元件4。最后，分光元件4将再次地反射具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，并通过第三光学模块7(即第二透镜71)将其聚焦于与第一焦点81相异的第二焦点82，从而完成本发明的将单一主激光光束2转换为具有二相异焦点的二个次激光光束的目的。
在本实施例中，设置在第二光学模块6的第一透镜63用以改变入射的具有第一偏振方向P的第二次激光光束23的扩散角。藉此，二相异的激光光束将会因为通过的透镜数的不同，而具有相异的扩散角，进一步得以在工件8上形成水平位置相异的二焦点。此外，若将极化偏转元件3旋转，亦可协助调整具有第一偏振方向P的第一次激光光束21与具有第二偏振方向S的第二次激光光束22间的能量比例，以控制激光加工的深度。
图3为本发明激光光束转换装置实施例二的示意图。如图3所示，其中，实施例二的各元件的配置方式，基本上相似于实施例一，都包含极化偏转元件3、分光元件4、第一光学模块5、第二光学模块6以及第三光学模块7等元件。并且同样地，第一光学模块5与第二光学模块6相对设置，且第三光学模块7与极化偏转元件3相对设置。实施例二与实施例一的相异处在于，原本设置在实施例一的第一光学模块5所包含的第一次极化偏转元件51和第一反射元件52被一第三次极化偏转元件53取代，而原本设置在第二光学模块6的第二次极化偏转元件61和第二反射元件62被一第四次极化偏转元件64取代。如此一来，第三次极化偏转元件53将同样具备将具有第二偏振方向S的第二次激光光束22转换为具有第一偏振方向P的第二次激光光束23后并反射的功用，且第四次极化偏转元件64亦同样具备将具有第一偏振方向P的第二次激光光束23转换为具有第二偏振方向S的第二次激光光束22后并反射的作用。
由于实施例二所公开的元件数量较实施例一为少，故其将有助于缩小激光光束转换装置1的体积，以进行更为精确的激光定位作业。
图4为本发明激光光束转换装置实施例三的示意图。同样相似于实施例一，激光光束转换装置1包含极化偏转元件3、分光元件4、第一光学模块5、第二光学模块6以及第三光学模块7等元件。然而，与实施例一不同之处在于，实施例三所公开的第一光学模块5与第三光学模块7相对设置，且第二光学模块6与极化偏转元件3相对设置。此外，由于实施例三的各元件的较佳实施态样都与实施例一相同，故各元件的功用在此不多赘述。
以下将针对具有第一偏振方向P的第一次激光光束21、以及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22在实施例三中的光束行进路线进行说明。
如图4所示，并请同时参照图1。首先，当具有第一偏振方向P的第一次激光光束21入射于分光元件4后，由于分光元件4允许具有第一偏振方向P的激光光束通过，所以，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光元件4，而抵达相对于极化偏转元件3设置的第二光学模块6。接着，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21将先通过第二光学模块6的第一透镜63，且第二光学模块6的第二次极化偏转元件61将具有第一偏振方向P的第一次激光光束21转换为具有第二偏振方向S的第一次激光光束24，并利用第二光学模块6的第二反射元件62将其反射，而入射及穿透第二次极化偏转元件61与第一透镜63，到达分光元件4。之后，分光元件4将反射具有第二偏振方向S的第一次激光光束24，并通过第三光学模块7(即第二透镜71)将其聚焦于工件8的第一焦点81。
在此同时，当具有第二偏振方向S的第二次激光光束22入射于分光元件4后，由于分光元件4会反射具有第二偏振方向S的激光光束，因此具有第二偏振方向S的第二次激光光束22被分光元件4所反射，继而进入第一光学模块5。其后，具有第二偏振方向S的第二次激光光束22将被第一光学模块5的第一次极化偏转元件51转换成具有第一偏振方向P的第二次激光光束23，并经第一光学模块5的第一反射元件52反射后，依序入射与穿透第一次极化偏转元件51与分光元件4，并通过第三光学模块7(即第二透镜71)将其聚焦于与第一焦点81相异的第二焦点82，从而完成本发明的将单一主激光光束2转换为具有相异二焦点的二个次激光光束的目的。
并且，为进一步缩小激光光束转换装置1的体积，亦可利用第三次极化偏转元件53取代原本设置在第一光学模块5内的第一次极化偏转元件51和第一反射元件52，并且以第四次极化偏转元件64取代原本设置在第二光学模块6内的第二次极化偏转元件61和第二反射元件62，使其成为如图5所示的实施例四的态样。此外，由于实施例四的光束行进路线都相同于实施例三，故在此不多赘述。
在本发明中，主激光光束2为具有单一偏振方向的激光光束，极化偏转元件3为一1/2波片或其他等效元件，且第一次极化偏转元件51及第二次极化偏转元件61为穿透式极化偏转元件，如1/4玻片或其他等效元件。同时，第三次极化偏转元件53和第四次极化偏转元件64则为反射式极化偏转元件，如极化旋转镜或其他等效元件。第一反射元件52及该第二反射元件62为反射镜或其他等效元件，且分光元件4为极化分光镜。
图6为本发明激光光束转换方法实施例一的步骤示意图。请同时参照图2与图3。当第一光学模块5与第二光学模块6相对设置，且第三光学模块7与极化偏转元件3相对设置时，本发明的激光光束转换方法具有下列步骤：
如步骤901所示，将主激光光束2通过极化偏转元件3转换为具有第一偏振方向P的第一次激光光束21及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22。接着如步骤902所示，使具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光元件4，并通过第三光学模块7直接聚焦于第一焦点81。最后，如步骤903所示，使具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，在激光光束转换装置1内部经过两次转换步骤与四次反射步骤后，通过第三光学模块7聚焦于与第一焦点81相异的第二焦点82。
图7为本发明激光光束转换方法实施例二的步骤示意图。请同时参照图4与图5。当第一光学模块5与第三光学模块7相对设置，且第二光学模块6与极化偏转元件3相对设置时，本发明的激光光束转换方法具有下列步骤：
如步骤901所示，将主激光光束2通过极化偏转元件3转换为具有第一偏振方向P的第一次激光光束21及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22。接着如步骤904所示，使具有第一偏振方向P的第一次激光光束21，在激光光束转换装置1内部经过一次转换步骤与两次反射步骤后，通过第三光学模块7聚焦于第一焦点81。之后，如步骤905所示，使具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，在激光光束转换装置1内部经过一次转换步骤与两次反射步骤后，通过第三光学模块7聚焦于与第一焦点81相异的第二焦点82。
综上所述，本发明的特色在于：通过入射单一主激光光束于本发明的激光光束转换装置，便可获得具有相异二焦点的二个次激光光束，以针对相同物件的不同厚度或表面进行加工及量测作业。换言之，当本发明的激光光束转换装置1具有如图2所示的实施例一及图3所示的实施例二的态样时，通过主激光光束2所形成的具有第一偏振方向P与第二偏振方向S的二个次激光光束将于激光光束转换装置1内传输。此时，具有第一偏振方向P的第一次激光光束将直接穿透分光元件4，并入射第三光学模块7而聚焦于第一焦点81。并且，具有第二偏振方向S的第二次激光光束将于激光光束转换装置1内完成两次的转换步骤及四次的反射步骤后，入射第三光学模块7而聚焦于第二焦点82。
另一方面，当本发明的激光光束转换装置1具有如图4所示的实施例三及图5所示的实施例四时，通过主激光光束2所形成的具有第一偏振方向P与第二偏振方向S的二个次激光光束将于激光光束转换装置1内传输，此时，该二个次激光光束都会于激光光束转换装置1内各进行一次的转换步骤与两次的反射步骤后，入射第三光学模块7并分别聚焦于第一焦点81及第二焦点82，从而达到本发明的减少激光加工时的扫描次数，同时提高生产效率的目的。
此外，本发明所述的第一偏振方向与第二偏振方向并非被限制需具有如前所述的态样。换言之，第一偏振方向与第二偏振方向除可分别为P偏振方向与S偏振方向外，两者亦可相互交换，使其分别为S偏振方向与P偏振方向，如此的置换并不会对本发明的结果产生影响。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (22)
1.一种激光光束转换装置，其特征在于，包含：
一极化偏转元件，用以接收一主激光光束并将其转换为具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束；
一分光元件，用以接收来自该极化偏转元件的该第一次激光光束及该第二次激光光束，且允许具有该第一偏振方向的该第一次激光光束穿透，并反射具有该第二偏振方向的该第二次激光光束；
一第一光学模块，邻设在该分光元件的一第一侧边，以接收并反射该第二次激光光束；
一第二光学模块，邻设在该分光元件的一第二侧边，以接收并反射该第一次激光光束及该第二次激光光束其中之一；以及
一第三光学模块，邻设在该分光元件的一第三侧边；
其中，具有该第一偏振方向的该第一次激光光束及具有该第二偏振方向的该第二次激光光束经该分光元件、该第一光学模块、该第二光学模块及该第三光学模块的转换后，分别聚焦于相异的一第一焦点及一第二焦点。
2.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一侧边与该第二侧边是为相对设置。
3.根据权利要求2所述的激光光束转换装置，其特征在于，具有该第一偏振方向的该第一次激光光束在穿透该分光元件后，入射该第三光学模块。
4.根据权利要求3所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一光学模块在接收具有该第二偏振方向的该第二次激光光束后，将其转换为具有该第一偏振方向的该第二次激光光束，且穿透该分光元件后朝该第二光学模块射入。
5.根据权利要求4所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第二光学模块在接收具有该第一偏振方向的该第二次激光光束后，将其转换为具有该第二偏振方向的该第二次激光光束，并反射至该分光元件。
6.根据权利要求5所述的激光光束转换装置，其特征在于，该分光元件在接收来自该第二光学模块的具有该第二偏振方向的该第二次激光光束后，将其反射并朝该第三光学模块射入。
7.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一侧边与该第二侧边是为相邻设置。
8.根据权利要求7所述的激光光束转换装置，其特征在于，具有该第一偏振方向的该第一次激光光束在穿透该分光元件后，入射该第二光学模块。
9.根据权利要求8所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第二光学模块在接收具有该第一偏振方向的该第一次激光光束后，将其转换为具有该第二偏振方向的该第一次激光光束，并反射至该分光元件。
10.根据权利要求9所述的激光光束转换装置，其特征在于，该分光元件在接收来自该第二光学模块的具有该第二偏振方向的该第一次激光光束后，将其反射并朝该第三光学模块射入。
11.根据权利要求10所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一光学模块在接收具有该第二偏振方向的该第二次激光光束后，将其转换为具有该第一偏振方向的该第二次激光光束，且穿透该分光元件后朝该第三光学模块射入。
12.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一光学模块包含一第一次极化偏转元件和一第一反射元件，且该第二光学模块包含一透镜、一第二次极化偏转元件和一第二反射元件。
13.根据权利要求12所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一次极化偏转元件及该第二次极化偏转元件都为穿透式极化偏转元件，且该第一反射元件及该第二反射元件都为反射镜。
14.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第一光学模块包含一第三次极化偏转元件，且该第二光学模块包含一透镜及一第四次极化偏转元件。
15.根据权利要求14所述的激光光束转换装置，其特征在于，该第三次极化偏转元件及该第四次极化偏转元件都为反射式极化偏转元件。
16.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该极化偏转元件为穿透式极化偏转元件，且该第三光学模块为一透镜。
17.根据权利要求1所述的激光光束转换装置，其特征在于，该主激光光束为具有单一偏振方向的激光脉冲光束，该第一偏振方向及该第二次偏振方向分别为P偏振方向及S偏振方向，且该分光元件为极化分光镜。
18.一种激光光束转换方法，其特征在于，包含下列步骤：
(a)将一主激光光束转换为具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束；
(b)将具有该第一偏振方向的该第一次激光光束聚焦于一第一焦点；以及
(c)将具有该第二偏振方向的该第二次激光光束聚焦于与该第一焦点相异的一第二焦点。
19.根据权利要求18所述的激光光束转换方法，其特征在于，该(b)步骤还包括：
将具有该第一偏振方向的该第一次激光光束直接聚焦于该第一焦点。
20.根据权利要求19所述的激光光束转换方法，其特征在于，该(c)步骤还包括：
将具有该第二偏振方向的该第二次激光光束，经过两次转换步骤与四次反射步骤后，聚焦于与该第二焦点。
21.根据权利要求18所述的激光光束转换方法，其特征在于，该(b)步骤还包括：
将具有该第一偏振方向的该第一次激光光束，经过一次转换步骤与两次反射步骤后，聚焦于该第一焦点。
22.根据权利要求21所述的激光光束转换方法，其特征在于，该(c)步骤还包括：
将具有该第二偏振方向的该第二次激光光束，经过一次转换步骤与两次反射步骤后，聚焦于该第二焦点。
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Effective date of abandoning: 20170208 |
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