CN103098319B - 激光束分析装置 - Google Patents

Abstract

一种使得能够实时测量由高功率激光束产生的激光束的空间轮廓、圆度、形心、像散和M2值的装置。本装置采用了在过程应用中使用的光学器件，包括聚焦透镜和覆盖玻璃。衰减模块包括以相对于激光束的共同入射角、以彼此平行隔开的关系设置的一对高反射镜板。束流收集器在该激光束的传播路径之外并且以接收由该第一和第二镜反射的光的关系定位。相机检测通过该第一和第二镜的光的斑点。由高反射性镜对形成的高功率衰减器定位在源和衰减模块之间。第二实施例包括具有高反射性表面的单个镜板。

Description

激光束分析装置

相关申请的交叉引用

本申请要求当前未决的美国非临时专利申请No.12/756,476的优先权，该申请在2010年4月8日提交，题目为“LaserBeamAnalysisApparatus”，其通过引用在此并入。

技术领域

本发明一般地涉及分析激光束领域。具体地，涉及分析高功率激光束领域。

背景技术

常规的用于分析高功率激光束的装置包括旋转针，其起相似刀口的作用。旋转针将聚焦激光束的少量样本反射进检测器。当针旋转时，它沿着光轴移动并且测量聚焦激光束的束腰。

PrimesGmbH销售一种能够测量达到10千瓦、CW功率的单元。该单元需要仔细对准并且花费许多分钟来进行测量。它很笨重并且不利于在生产过程中的实时测量。

诸如美国专利No.5,064,284、5,069,527、5,078,491、5,100,231、5,214,485、5,267,012和5,459,565的多个专利公开了一种使光束通过旋转刀口然后将焦点沿着光轴平移至检测器来分析多模激光束的方法。

该方法的缺点是装置笨重并且需要许多移动部件。因此不利于激光束的快速和实时地分析。

美国专利No.5,329,350公开了一种通过利用一对楔形物和第二衰减组件衰减光束来分析激光束的方法。光然后通过透镜和一系列的部分反射板，其中产生的光束数量是使用的部分反射性板数量的两倍，并且然后将该光束引导到检测器上以同时地查看多个斑点。

这个方法需要相当多的光学器件并且通常地仅限于利用长焦距透镜分析激光束。因为堆叠一系列板限制了可以测量的束腰并且很难制造允许分析具有远小于大约三百毫米（300mm）焦距的光束的薄板，因此存在这种限制。

在上述专利中公开的较早发明不能够使用常规材料处理系统的全部光学构件来分析光束。现有技术设备也需要离线测量该激光束。

美国专利No.6,313,910公开了一种孔径旋转，该孔径沿着待分析的束腰的光轴位移。该设备十分地紧凑并且允许更实时地测量，但是包括了减慢测量过程的移动部件，并且没有提供可接受的衰减装置来分析数十千瓦的功率激光。

因而需要用于分析高功率激光束的装置，该装置是小型的并且没有移动部件，具有少量的光学器件，使用常规材料处理系统的全部光学构件，并且以可接受的方式衰减光束使得可以在原处测量该光束。

然而，鉴于在做出本发明时被视为整体的现有技术，对于本领域的技术人员如何克服现有技术的局限性不是显而易见的。

发明内容

现在通过新的、有用的、并且非显而易见的发明满足了对在线实时分析激光束的、没有移动部件紧凑装置的长期存在而迄今无法满足的需求。

该新的装置能够实时测量和分析由高功率激光器产生的激光束的空间轮廓、圆度、形心、像散和M2值。本装置采用了在过程应用中使用的光学器件，包括聚焦透镜和覆盖玻璃。

新装置采用的最小数量的光学器件来衰减高功率激光束并且提供了多个聚焦激光斑点。每一个斑点表示感兴趣的聚焦束腰的一部分。每一个斑点撞击到单个CCD、CMOS或任何其他像素化检测器或相机上。因此本装置提供了关于激光光束特性的实时数据。

更具体地，本发明的使得能够分析高功率激光束的装置包括衰减模块，该衰减模块包括一对高反射镜板，该一对高反射镜板以相对于激光束的共同入射角、以彼此平行隔开的关系设置。

该一对高反射镜板包括第一镜，该第一镜在其面向该激光束的源的第一表面上具有抗反射涂层，并且在其背对该源的第二表面上具有高反射性涂层。

该一对高反射镜板进一步地包括第二镜，该第二镜在其背对该源的第二表面上具有抗反射涂层，并且在其面向该源的第一表面上具有高反射性涂层。

第一束流收集器（beamdump）在该激光束的传播路径之外并且以接收由该第一和第二镜反射的光的关系定位。

第一相机检测通过该第一和第二镜的光的斑点。该激光束被充分地衰减，使得该激光束可以被该第一相机分析。

聚焦透镜设置在该源和该衰减多斑点模块之间，并且道威棱镜(doveprism)设置在该源和该聚焦透镜之间。第二相机设置在该激光束的传播路径之外，并且该道威棱镜具有第一反射表面，该第一反射表面将至少一些来自该激光束的光反射进该第二相机。

高功率衰减器由高反射性镜对形成并且设置在该源和该道威棱镜之间。该高反射性镜对包括具有面向该源的第一表面的第一高反射性镜和具有面向该源的第一表面的第二高反射性镜。第二束流收集器设置在该激光束的传播路径之外，并且该第一高反射性镜将来自该源的光反射进该第二束流收集器。第三束流收集器也设置在该激光束的传播路径之外，并且该第二高反射性镜将来自该源的光反射进该第三束流收集器。

该第一高反射性镜以相对于该激光束的传播路径成四十五度角定位，并且该第二高反射性镜以相对于该激光束的传播路径成一百三十五度角定位。该第一高反射性镜造成初始传播路径的与折射相关的位移，并且该第二高反射性镜将该激光束返回到该初始传播路径。

第一和第二相机是像素化检测器。每一个均以电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体等形式提供。

本发明的主要目的是使用用于切割、钻孔、划线、标记、焊接或其他处理的常规材料处理系统在原处测量高功率(数十千瓦，CW)。

另一个目的是提供没有移动部件的装置。

另一个重要的目标是最小化光学元件的数量并且避免使用中性密度滤光器。

本发明的这些和其他的重要的目的、优点、和特征随着描述进行将变得清晰。

本发明相应地包括构造的特征、元件的组合、和部件的布置，其将在下文中阐明的描述中例示并且本发明的范围将在权利要求中指示。

附图说明

为了更全面地理解本发明的性质和目的，应该结合附图参照如下的详细说明，其中：

图1是新装置的示图；

图2是新装置当配置用于高功率激光器时的示图；

图3是图1和图2的实施例的反射表面的放大图，其描绘了光如何被衰减并分裂成具有固定轴向延迟的多个光束；

图4是聚焦在像素化检测器上的光的强度分布和如何通过束腰聚焦该光的图形描绘；

图5描绘了本发明的第二实施例；并且

图6是图5的实施例的反射表面的放大图。

具体实施方式

现在参考图1，在那里将看到，新装置的图示作为整体通过附图标记10表示。

商用的高功率光纤激光器具有超过十千瓦(10kW)的功率。一些激光器具有超过二十千瓦(20kW)的功率。新装置将具有大于十千瓦的功率的光纤激光束12接受进入包括一对高反射镜板16和18的衰减模块14。

如图2所示，当新装置被配置用于高功率激光器时，激光束12击中第一板20，该第一板20以四十五度（45°）入射角取向。超过百分之九十九(99%)的光被反射到第一水冷高功率束流收集器22以耗散大多数激光的功率。

穿过第一板20的高反射性表面的少量光击中第一镜板20的第二表面，其被抗反射涂覆以最小化鬼点反射（ghostreflection）。然后光击中第二高反射镜板24，其以负四十五度(45°)入射角取向，也可以描述为以一百三十五度(135°)入射角取向。如图示，第二高反射镜板24补偿了由第一镜板20产生的折射相关的光束离散（beamwalk-off）。

由补偿高反射性镜24反射的大致百分之九十九（99%）的光被引导向第二水冷束流收集器26。在十千瓦(10kW)的激光功率进入装置10的情况下，第一镜20将大约九千九百瓦(9900W)收集到第一液冷束流收集器22。然后大约一百瓦(100W)击中第二镜24，其将九十九瓦(99W)引导进第二液冷束流收集器26。一瓦(1W)的激光功率穿过第二补偿器镜板24。

激光束12被引导进被抗反射涂覆的道威棱镜28。从道威棱镜28的第一表面的小反射被引导进电荷耦合器件(CCD)30、未示出的互补金属氧化物半导体(CMOS)或其他像素化检测器，以测量激光束12的空间轮廓、形心、和椭率（ellipsivity）。

大多数CCD和CMOS相机具有对角地远在一英寸以下的格式。因为准直的、高功率光纤激光的直径可以超过一英寸，所以，可以使用未示出的光束缩小望远镜以缩小进入检测器30的光束直径。

道威棱镜28为光束轮廓相机30提供了无鬼点反射(ghostfreereflection)并且剩余光束无偏离地沿光轴传播至聚焦透镜32。

如图3所示，一对高反射镜14在它们各自的高反射性表面16a、18a上被抗反射涂覆。所述对14定位在聚焦透镜32的下游。同样地如图3所示，镜16、18使各自的高反射性表面16b、18b彼此面对。镜16、18之间的间隔是可调整的，从几微米至超过一毫米(1mm)。

通过竖直和水平调整底座来调整第二镜18，来对准两个镜14，使得它们相互平行以便形成法布里-珀罗（fabry-perot）共振器布置。如图1和图2所示，标称地一瓦的衰减的功率经由首先穿过抗反射涂覆表面16a而入射在第一镜16上，并且超过百分之九十九（99%）的激光被第一镜16反射掉并且发送到简易束流收集器34上。

大约十毫瓦(10mW)的剩余光穿过第一高反射镜16并且击中第二高反射镜18。这两个镜14是相互平行的，所以大约九毫瓦(9mW)的反射光在这两个镜之间传播。每一次反射损失大约其功率的百分之一(1%)。

如图2所示，穿过第二镜18的百分之一(1%)被引导在适当的CCD、CMOS或其他检测器36上，来监测以特定距离分隔的一系列焦斑(focalspots)，该特定距离由两个镜14角度和两个高反射性表面之间的空气间隙确定。

沿光轴的每一个连续斑点的delta基于2(d/cosα)，其中d是镜14之间的空气间隔而α是光在镜上的入射角。当间隔d减小时，在检测器上斑点之间的delta减小，因此提供了束腰测量的更高分辨率。

利用商用软件分析入射在相机36上所有多个斑点，以确定激光束12的束腰在相机36的透镜焦点处。相机36的位置设置在，最小斑点在一系列斑点的中间的位置。

新系统10可以在相机36上具有极大量的斑点，仅受检测器尺寸和镜对14的角度限制。如果光在镜对14上的入射角太小，这可能产生该光干涉它本身的条件。因此调整镜的分隔和角度以防止这种干涉。

图4是聚焦在诸如检测器36的像素化检测器上的光的强度分布和如何通过束腰聚焦该光的图示。

图5描绘了本发明的第二实施例，其中单个镜38代替了镜16、18。

图6是图5的实施例的反射表面的特写，描绘了光如何被衰减并分裂成具有固定轴向延迟的多个光束。

因而将看到，有效地获得上述的目的和从上文描述显而易见的目的，并且因为在上述构造中可以做出特定改变而不偏离本发明的范围，意图是上文描述的或附图显示的全部内容将被解释为示例性的而不是限制的含义。

同样地要理解的是，权利要求意图覆盖本发明在此描述的所有一般和特定的特征，并且本发明的范围的所有陈述，作为语言，可以被表述为落入其间。

Claims (3)

1.一种使得能够分析从激光束源发射的激光束的装置，包括：

法布里-珀罗共振器，所述法布里-珀罗共振器包括第一镜，所述第一镜在其面向所述激光束的所述源的第一表面上具有抗反射涂层，并且在其背对所述源的第二表面上具有高反射性涂层；

所述法布里-珀罗共振器包括第二镜，所述第二镜在其背对所述源的第二表面上具有抗反射涂层，并且在其面向所述源的第一表面上具有高反射性涂层；

所述第一和第二镜在所述激光束的传播路径中以彼此隔开的、平行的、且对准的关系设置，所述第一和第二镜相对于所述激光束倾斜；

聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述激光束源和所述法布里-珀罗共振器之间，所述聚焦透镜操作以引起所述激光束会聚，并且会聚激光束入射在所述法布里-珀罗共振器上；

所述法布里-珀罗共振器通过在所述法布里-珀罗共振器中的每一个往返行程来充分地衰减所述会聚激光束，并且通过在所述法布里-珀罗共振器中的每一个往返行程来时间延迟所述会聚激光束以提供多个聚焦激光斑点，其中每一个聚焦激光斑点表示感兴趣的聚焦束腰的一部分；

第一像素化检测器，所述第一像素化检测器用于检测通过所述聚焦透镜和所述法布里-珀罗共振器的所述多个聚焦激光斑点，其中，沿光轴的所述多个聚焦激光斑点的每一个连续的聚焦激光斑点的delta由2(d/cosα)确定，其中d是在所述第一镜和所述第二镜之间的空气间隔，而α是所述会聚激光束在所述第一镜和所述第二镜上的入射角，并且其中当在所述第一镜和所述第二镜之间的空气间隔d减小时，在所述第一像素化检测器上的聚焦激光斑点之间的delta减小，从而提供了所检测的感兴趣的聚焦束腰的更高分辨率；

所述聚焦透镜最接近所述激光束源，所述第一像素化检测器距所述激光束源最远，并且所述法布里-珀罗共振器设置在所述聚焦透镜和所述第一像素化检测器之间。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

道威棱镜，所述道威棱镜布置在所述源和所述聚焦透镜之间。

3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括：

第二像素化检测器，所述第二像素化检测器设置在所述激光束的所述传播路径之外；并且

所述道威棱镜具有第一反射表面，所述第一反射表面从所述激光束将至少一些光反射进所述第二像素化检测器。