CN103109424B - 用于高功率激光器的热补偿透镜 - Google Patents

Abstract

一种在用于高功率激光器的光学系统中热补偿透镜的方法包括以下步骤：设置熔融石英透镜以准直高功率激光束并且将该透镜以相对于激光束的准直关系定位。设置聚焦透镜组件以聚焦该准直激光束并且将其以相对于该准直激光束的聚焦关系定位。作为该准直透镜组件的一部分和作为该聚焦透镜组件的一部分，包括具有负dn/dT的至少一个透镜以抵消该熔融石英透镜折射率的热感应改变。从具有负dn/dT的玻璃的组中选择该具有负dn/dT的透镜。利用抵消负dn/dT来平衡该透镜的焦度，使得该光学系统在宽温度范围上维持其焦点。

Description

用于高功率激光器的热补偿透镜

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.12/756,642的优先权，该申请在2010年4月8日提交，题目为“用于高功率激光器的热补偿透镜”，其通过引用在此并入。

技术领域

本发明一般地涉及激光器领域。更具体地，涉及用于高功率激光器的透镜。

背景技术

一个或多个高质量熔融石英透镜(fused silica lens)被用于聚焦超过一千瓦（1kW）的高功率光纤激光器。更具体地，至少一个高质量熔融石英透镜被用于准直从光纤激光器发射的激光，该光纤激光器中的光纤的直径范围从50微米至超过300微米。光在已经准直之后被引导至由一个或多个高质量熔融石英透镜制成的聚焦透镜组件，其将该光聚焦在要被切割、钻孔、划线、标记或焊接的表面上。

虽然熔融石英透镜材料是高透射性的，一些辐射在透镜内被吸收或者散射，使得透镜加热。所有光学玻璃材料具有当它们加热时改变透镜的聚焦特性的特定热属性。具体地，热膨胀系数α和作为温度函数的折射率变化(dn/dT)改变透镜的焦度。透镜的焦度受这两个属性影响并且被称作透镜的热焦度：

${\mathrm{\Ψ}}_p=[\frac{\mathrm{dn}/\mathrm{dT}}{(n-1)}-\mathrm{\α}]$

透镜的焦度作为温度的函数而通过以下方程式改变：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\mathrm{\Φ}\[\frac{\mathrm{dn}/\mathrm{dT}}{(n-1)}-\mathrm{\α}\]$

其中Φ是透镜的焦度。因而焦度的改变是透镜的原始焦度乘以透镜的热焦度Ψp。

ΔΦ=ΦΨ_p

熔融石英具有非常低的热膨胀系数、贯穿电磁频谱的紫外线至近红外波长的非常高的透射性，和低的散射性能。它是当前用于本任务的最成本有效的玻璃。然而，如上述的方程式指示地，它和所有的其他的光学玻璃一起，随着玻璃温度增加而易受焦度改变的影响。由于热的焦度改变的问题对于具有平均功率现在超过20kW的常规光纤激光器是成问题的。

熔融石英的热膨胀系数(CTE)大约是0.5×10^-6/°K并且具有~10×10^-6/°K的dn/dT。对于100°C的温度增加，具有200mm的标称焦距的熔融石英透镜焦点将具有超过350微米的改变。虽然对于这种长焦距透镜来说这不是巨大的量，但是当作为光纤的准直器使用时它对于怎样从光纤准直光具有实质影响。

由Abt等人撰写的,“Focusing High-Power,Single Mode LaserBeams”,Photonics Spectra Magazine,May 2008,（聚焦高功率、单一模式激光束，光电光谱杂志，2008年5月）的论文讨论了这个问题并且显示了使用多种熔融石英透镜和Gradium折射率玻璃的从100瓦至900瓦的功率范围在1和2毫米之间的焦点位移。Steele等人在由能源部（theDepartment of Energy）发表的，题目为“Spot Size and Effective FocalLength Measurements for a Fast Axial Flow CO2 Laser”（用于快速轴流CO2激光器的斑点直径和有效焦距测量)的论文中描述了CO2激光器的类似行为。Klein在Materials for High-Energy Laser Windows：Howthermal Lensing and Thermal Stress Control Performance （高能激光窗口材料：热透镜和热应力怎样控制性能)，SPIE Proceeding Vol.6666,66660Z1（2007）中进一步地讨论了窗口材料中的热透镜（thermallensing）。

处理光学系统的热透镜的常规方法是，使系统热稳定三或四分钟，紧接着重新调整准直光学器件和聚焦光学器件的焦点。在生产环境中这是非常不希望和昂贵的延迟。

美国专利No.5,128,953公开了一种通过在聚焦透镜和碎片护罩（debris shield）之间设置小间隙来辅助透镜冷却的方法。这个方法对于低功率激光器具有实用性。没有增加对于高功率激光器应该避免的另外的光学器件的情况下，该方法不解决高功率光纤激光器的准直问题。该现有技术需要另外的窗口，即，额外的光学器件，而没有提高光学性能并且在需要多元件透镜时没有提供用于提供冷却气体的装置。

欧洲专利申请EP 1 791 229 A1公开了一种使用径向偏振光和ZnSe中的应力双折射来减少热透镜的方法。这个方法的实用性非常有限并且对非偏振的高功率光纤激光器是不实用的。

消热差（athermalization）一般地应用于中红外光学系统而不具体地应用于高功率激光器。这些系统适于补偿红外线内的宽频谱上的热改变。Smith在“Modern Optical Engineering（现代光学工程)，McGrawHill 2000和in Practical Optical System Layout and Use of Stock Lenses（实用光学系统布局和储存透镜的使用）,McGraw Hill，1997”中，以及Fishcer等人在“Optical System Design（光学系统设计),McGraw Hill,2008”中讨论了消热差。这些文章教导了通过求解三个联立方程式来消色差（achromatize）和消热差：

Φ=Φ_a+Φ_b

$\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dT}}={\mathrm{\Ψ}}_a{\mathrm{\Φ}}_a+{\mathrm{\Ψ}}_b{\mathrm{\Φ}}_b$

其中Φ是透镜系统的焦度，Φ_a和Φ_b是单个透镜元件的焦度；和是每一个元件的色散度(chromatic power)并且Ψ_a和Ψ_b是透镜的热焦度。透镜的色散度是它的阿贝值ν的倒数。

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、实用的、和非显而易见的发明满足了对用于高功率激光器的准直装置的长期存在的而以前无法满足的需要。

本发明的结构包括由两个或更多个光学元件制成的热补偿透镜组件，其中第一元件补偿了第二元件的热焦度以便不改变系统的整体焦度。在本发明的系统中，额外的光学器件提高了透镜系统的光学性能并且提供了用于提供冷却气体的装置。

本发明通过利用熔融石英的热优势并利用具有负dn/dT的第二材料抵消了折射率变化，而改进了现有技术。虽然大多数玻璃随着材料温度增加而呈现出折射率的正的改变，而一些玻璃，诸如CaF2、BaF2、LiF2、NaCl、KCl，具有负dn/dT。存在其他具有负dn/dT的玻璃并且本发明不仅限于这里列出的、作为概念的示例性的玻璃。通过利用抵消的dn/dT，平衡了系统中透镜的焦度，该光学系统在宽温度范围上维持了它的焦点。

如上所述，两个透镜的焦度如下所示：

Φ=Φ_a+Φ_b

其中Φ_a是第一元件的焦度并且Φ_b是第二元件的焦度。如果透镜系统经受温度改变的影响，它的焦度改变为：

ΔΦ=Ψ_aΦ_a+Ψ_bΦ_b

这是每一个元件的焦度乘以其热焦度Ψ的和。为了得到焦点的零位移，两个透镜的焦度必须如下平衡：

Ψ_aΦ_a=-Ψ_bΦ_b

激光是单色光源所以透镜的色散度是不相关的，并且上述的方程式是对激光聚焦透镜消热差所需的全部。理想的情形是每一个玻璃的膨胀系数α是相同的并且第一材料的dn/dT是第二材料的dn/dT的精确负数。该理想情形的是无法实现的，但是通过改变元件的厚度和曲率补偿了α和dn/dT的偏移，来得到每一个ΨΦ的更精确的绝对值。

本发明的主要目的是，当温度在环境温度和热稳定温度之间变化时，在系统的雷利范围（Rayleigh Range）（焦点深度）之内，维持恒定的焦点位置。

另一个目的是，提供对于光学元件的热管理，以随着激光功率增加而散发吸收的热。

本发明的这些和其他的重要的目的、优点、和特征通过下面的描述将变得清晰。

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描绘了从光纤的输出发射并且重新聚焦在表面上的现有技术的高功率光纤激光；

图2描绘了具有多热配置的图1的透镜；

图3是图2的焦点的放大图；

图4描绘了用于高功率光纤激光器的常规光纤准直器；

图5是图4中描绘的准直双合透镜(collimation lens doublet)的斑点图(spot diagram)；

图6描绘了配置为用于高功率光纤激光器的光纤准直器的本发明；

图7是图6中描绘的准直器的斑点图；

图8描绘了配置为用于高功率光纤激光器的聚焦物镜的本发明；

图9是图8中描绘的聚焦物镜的斑点图；

图10是图8中描绘的物镜的光线追迹的放大图；

图11是已经为最小焦点位移变化而热优化的熔融石英和CaF2双合透镜的斑点图；

图12是透镜保持设备的端视图；

图13是沿着图12中的线13-13的截面图；和

图14是沿着图12中的线14-14的截面图。

具体实施方式

图1是常规的透镜布置的图示，作为整体由附图标记10表示。

更具体地，图1描绘了从光纤12的输出发射的高功率光纤激光。透镜14准直光16并且透镜18在焦点20上重新聚焦该光，该焦点20形成在要被切割、钻孔、划线、标记、焊接或其他的处理的材料的表面上。两个透镜都由高质量熔融石英制成。

图2描绘了图1的透镜，但是已经建立了多热配置，其中透镜14和18处于25°C的环境温度下，紧接着分别地增加至50°C、75°C和125°C。由于温度增加，焦点20朝所述透镜位移。以两毫米（2mm）的偏移覆盖每一个配置，以示出当温度增加时的焦点变化。

图3是图2的焦点的放大图。从在图3顶部的周围环境温度到在图3底部的最高温度的焦点位移是0.644mm。

图4描绘了用于高功率光纤激光器22的常规光纤准直器。包括平凸透镜24a和双凸透镜24b的熔融石英双合透镜24产生了具有最小波前误差的适当的准直水平。

图5是图4中描绘的准直双合透镜24的斑点图。本透镜系统的艾里斑（airy disk）半径（衍射极限发散度（diffraction limited divergence））是0.074毫弧度（mradians）。当温度值增加超过50°C时，光线开始发散超过衍射限制，并且在125°C下，光线的最远集延伸至0.161毫弧度。

图6描绘了配置为用于高功率光纤激光器的光纤准直器的本发明。第一透镜26是熔融石英透镜并且第二透镜28由Schott N-PSK53A制成。

图7是图6中描绘的新准直器的斑点图。在更高的温度下系统的发散度已经减少至0.083毫弧度，其非常接近于0.0701毫弧度的衍射限制。

图8描绘了作为用于高功率光纤激光器的聚焦物镜的本发明。第一透镜30是熔融石英透镜并且第二透镜32由Schott N-PSK53A制成。

图9是图8中描绘的聚焦物镜的斑点图。均方值斑点半径是2.129微米并且几何半径是3.936微米，其远低于8.737微米的衍射限制。

图10是图8中描绘的物镜的光线追迹的放大图，从顶部至底部分别地显示了当透镜系统的温度在25°C、50°C、75°C和125°C范围上增加的时候，焦点位置20没有可识别的差别。

图11是已经为最小焦点位移变化而热优化的熔融石英和CaF2双合透镜的斑点图。

图12提供了透镜保持设备40的端视图。设备40包括环形压缩端盖42，如图13中描绘的，环形压缩端盖42与环形基准端盖44配合以在其间保持环形主外壳46。如图所示，透镜30、32经过环形不胀钢分隔器48而在它们各自的周缘分开，该环形不胀钢分隔器48径向地向内定位在主外壳46中。环形保留环50与共同地标识为52的多个圆周地隔开的波形弹簧座配合，以在其间保持环形波形弹簧54。波形弹簧54额定为大约六十五磅(65lbs)。

通过与耦合件56流体连通的分开的回路来冷却透镜，如所述图13所示，存在四(4)个耦合件。图12和图14中描绘的透镜内气体配件58提供了来自远程气体源的流体连通，该远程气体源优选地是具有0.142W/m°C的热导率的氦，其热导率是空气的热导率（0.024W/m°C）的几乎6倍大，并且因此可以更好地将离开透镜的热传导至透镜30、32之间的空间。端口60设置有用于气体的出口。如果使用氦，则其可以被循环利用，并且如果使用空气，则其可以被运送离开透镜组件。无论如何，冷却气体必须没有可能污染透镜的残渣或微粒。

耦合件56和58是水冷输入和输出端口。每一个透镜具有其自己的冷却源并且必须使水循环以帮助调节透镜组件的温度。具有数十千瓦的激光从吸收光和来自透镜表面的背反射光而在该组件上产生极大量的热。例如，如果对于两（2）个元件光学器件，每个表面存在半个百分点（0.5%）的损失，则这表示百分之二(2%)的损失，并且十千瓦(10kW)的百分之二(2%)是两百瓦(200W)。这是必须散发的巨大量的功率。

在所有实施例中，组成多元件透镜的元件中的至少一个具有负dn/dT值并且至少一个其他透镜具有正dn/dT值。

在优选的实施例中采用了熔融石英元件和N-PSK53A元件。N-PSK53A玻璃是可模制的玻璃。在制作非球面时可模制性是有益的，其帮助减少了球面像差。N-PSK53A可以限制使用的激光功率的水平，因为它具有大于熔融石英的软化点的两倍的软化点。

第二实施例包括CaF2元件和熔融石英元件。CaF2和熔融石英两者都是用于范围从UV至近红外的高功率激光器的良好材料。本发明不限于仅这两种材料。以下是示出了具有负dn/dT值和相应α值的可用玻璃的表格：

玻璃	dn/dT(10-6/°C)	α(10-6/℃)
			BaF2	-15.2	18.1
CaF2	-10.6	18.85
			LiF2	-12.7	37
KBr	-40.83	43
			KCl	-33.2	36
AgCl	-61	30
			NaCl	-36	44
NaF	-36.2	36
			SrF2	-12	19.2
N-PSK53A	-4.3	9.6
			N-PK51	-8.4	12.4
N-PK52A	-8.0	13
			N-FK51A	-7.3	12.7
P-PK53	-6.9	13.3
			N-FK5	-2.6	9.2

典型地用于高功率激光器的玻璃和它们对应的dn/dT和α值包括：

玻璃	dn/dT(10-6/℃)	α(10-6/℃)
			熔融石英	10	0.52
兰宝石	13	8.4
			BK7	2.4	7.1
MgF2	2.3和1.7	13.7和8.5
			ZnS	38.7	6.5
ZnSe	61	7.8
			Si	160	4.15
Ge	396	5.7

表格显示了，不太可能获得dn/dT和可比较的CTE的理想匹配。透镜元件的厚度和它们对应的曲率是可变的，其可以对于高功率激光光学器件的最佳消热差而被优化。这通过在光学设计软件程序中建立适当的优值函数以优化透镜厚度、曲率和空间，来使得焦点位移保持在透镜系统的标称雷利范围值以下而实现。本表格的研究指示了，可以配置玻璃组合以适应范围从UV至远红外的高功率激光器的消热差，该激光器包括但不仅限于准分子、Nd:YAG、Nd:YLF、光纤和CO₂激光器。

下表显示了对于具有100毫米标称有效焦距、聚焦在作为高功率光纤激光器的典型波长的1.075微米下的光的熔融石英透镜的光学方案和热设置。为每一个温度变化给出后焦距，并且给出对应的对标称温度的焦点位移的差，称为“Delta”值。正的“Delta”表示焦点朝着透镜距离减小并且负的“Delta”表示焦点远离透镜距离增加。

下一个表格显示了在1.075微米下的熔融石英双合透镜的光学方案。

下一个表格提供了对于聚焦在1.075微米下的光纤激光器的双合透镜的优选实施例的方案。

在25至125°C温度范围的焦点位移只有大约三（3）至四（4）微米，这是上述的表格中熔融石英双合透镜的四十七倍(47)的改进。

N-PSK53A玻璃可能不支持极大的激光功率。因此以下表格显示了与CaF2相结合地使用了熔融石英的方案。

与熔融石英双合透镜相比，CaF2的存在使得系统的焦距增加由负号指示的五十三(53)微米。焦点位移比现有技术改进了3.5倍并且可以在非常高的平均功率水平下使用光学器件。图11的斑点图检查指示了透镜系统加热时斑点大小减小。因此，即使焦距轻微地增加，它进一步地减小相差并且改进透镜系统的性能，并且因此使其衍射更受限制。

为了进一步地增强光学设计的性能，分隔环由低热膨胀材料制造，诸如具有1.5×10^-6/°C的CTE的不胀钢。该环是适配在每一个元件的外径上的开口环；该开口允许玻璃膨胀。不胀钢分隔环增加了从透镜传导热的方式。进一步地加工不胀钢分隔器的每一侧，以按照透镜的轮廓，用于使最大面积接触在周边上的并且最初几毫米径向地跨过透镜。物镜组件的主外壳由具有水冷端口的黄铜材料制成；没有液体实际接触透镜。不胀钢分隔器具有与开口为直径相对关系的放气孔，使得可以使用清洁的、干燥的净化气体进一步地冷却光学元件。光学器件参考最后的组件表面并且通过紧靠第一元件安置的波形弹簧来固定。允许组件朝着激光器而不是工作物扩展以进一步地减少由于涉及材料的热膨胀而产生的焦点位移。

因而将看到，有效地获得上述目的和从上文描述显而易见的目的，并且因为在上述的构造中可以做出的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一般和特定特征的全部，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 (7)

1.一种在用于高功率激光器的光学系统中热补偿透镜的方法，包括以下步骤：

设置高功率激光器，所述高功率激光器发射高功率激光束，所述高功率激光束在所述高功率激光束通过的透镜的折射率方面造成热引发的改变；

设置正dn/dT透镜以准直所述高功率激光束并且以相对于所述高功率激光束的准直关系定位所述正dn/dT透镜，所述正dn/dT透镜具有折射率；

设置聚焦透镜组件以聚焦所述高功率激光束并且以相对于所述准直激光束的聚焦关系定位所述聚焦透镜组件；并且

作为所述聚焦透镜组件的一部分，包括具有负dn/dT的至少一个透镜，以抵消所述正dn/dT透镜的所述折射率的热引发的改变。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

从具有负dn/dT的透镜的组中选择所述具有负dn/dT的至少一个透镜，所选择的所述具有负dn/dT的至少一个透镜的负dn/dT基本上等于所述正dn/dT透镜的正dn/dT；

由此利用抵消负dn/dT透镜来平衡所述光学系统中的所述正dn/dT透镜，使得所述光学系统在宽温度范围上维持其焦点。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

以熔融石英透镜的形式设置所述正dn/dT透镜，并且

在用于将所述准直激光束聚焦在表面上的聚焦透镜组件中，以N-PSK53A透镜的形式设置所述具有负dn/dT的至少一个透镜；

由此所述N-PSK53A透镜补偿所述熔融石英透镜的热焦度使得所述系统的总焦度是基本上不变的。

4.一种在用于高功率激光器的准直光学系统中热补偿透镜的方法，包括以下步骤：

通过以彼此配合关系和相对于由高功率激光器发射的光束的准直关系定位熔融石英透镜和N-PSK53A透镜，形成所述准直光学系统。

5.一种在用于高功率激光器的聚焦物镜系统中热补偿透镜的方法，包括以下步骤：

通过以彼此配合关系和相对于由高功率激光器发射的光束的聚焦关系定位熔融石英透镜和N-PSK53A透镜，形成所述聚焦物镜系统。

6.一种在用于高功率激光器的聚焦物镜系统中热补偿透镜的方法，包括以下步骤：

通过以彼此配合关系和相对于由高功率激光器发射的光束的聚焦物镜关系定位熔融石英透镜和从由CaF2、BaF2、LiF2、NaCl、和KCl玻璃形成的透镜的组中选择的透镜，形成所述聚焦物镜系统。

7.一种在由高功率激光器发射的准直光束所通过的聚焦物镜系统中热补偿透镜的方法，包括以下步骤：

通过以彼此配合关系和相对于所述准直光束的聚焦关系定位熔融石英透镜和从由CaF2、BaF2、LiF2、NaCl、和KCl玻璃形成的透镜的组中选择的透镜，形成所述聚焦物镜系统。