CN104503098A - 激光合束系统 - Google Patents

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吕启涛
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Abstract

激光合束系统通过第一全反射模块和第二全反射模块分别将S偏振态激光及P偏振态激光进行全反射处理，使得能够调整入射S偏振态激光和P偏振态激光的水平和垂直。经过全反射处理的S偏振态激光经由第一偏振模块反射到第二偏振模块后，由第二偏振模块进行再次反射。经过全反射处理的P偏振态激光则由第二偏振模块折射到与第二偏振模块反射的S偏振态激光的光路上，从而完成S偏振态激光与P偏振态激光的合束。单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降低。因此，S偏振态激光与P偏振态激光的合束后，频率是单台激光器的两倍，而平均功率不变。即相当于提高了高频下的单脉冲能量，从而能够提高激光的加工速度。

Description

激光合束系统
技术领域
本发明涉及高重复频率状态使用的倍频激光器，特别是涉及一种将两台倍频激光器发射的激光进行合束来提高高重复频率下平均输出功率的激光合束系统。
背景技术
现在倍频激光器在工业微加工领域具有广泛应用，如工业零部件的打标、钻孔、划片、焊接、切割以及医疗器械的微加工、电子元器件封装、微型部件立体成型等。此外在半导体及微电子学、光谱分析、光数据存储、光盘控制、大气探测、光化学、光生物学、空间光通讯及医疗领域有着广泛的应用前景。随着激光器在工业应用上的普及，工业设备对加工光源提出了更高的要求，不仅在加工精度方面，也包括加工速度要求越来越快。而倍频激光器由于其波长短、聚焦点小的优点，聚焦点光斑可小到亚微米数量级,从而对金属和聚合物的微处理更具优越性,可以进行小部件的加工。以三倍频紫外激光器为例，存在问题较多，如在较高重复频率下，倍频激光器的平均输出功率不够高，从而影响工业加工速度。或是目前多数倍频激光器激光均为线性偏振态输出，加工例如晶元等某些材料时会出现X-Y轴不对称的现象，从而影响了加工效果
发明内容
基于此，有必要提供一种将两台倍频激光器发射的激光进行合束来提高高重复频率下平均输出功率的激光合束系统。
一种激光合束系统，用于将两束激光合束成一束激光，包括第一全反射模块、第二全反射模块、第一偏振模块及第二偏振模块；
所述第一全反射模块用于将S偏振态激光反射到所述第一偏振模块；所述第一偏振模块用于将入射的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块，所述第二偏振模块用于将入射的S偏振态激光反射出去；
所述第二全反射模块用于将P偏振态激光反射到所述第二偏振模块；所述第二偏振模块用于将入射的P偏振态激光折射到与所述第二偏振模块反射的S偏振态激光的光路上。
在其中一个实施例中，所述第一全反射模块包括第一全反射镜和第二全反射镜，所述第一全反射镜与所述第二全反射镜平行设置，所述第一全反射镜用于将入射的所述S偏振态激光反射到所述第二全反射镜；所述第二全反射镜用于将所述第一全反射镜反射出来的S偏振态激光反射到所述第一偏振模块。
在其中一个实施例中，入射到所述第一全反射镜的S偏振态激光的入射角为45°；所述第一全反射镜反射到所述第二全反射镜的S偏振态激光的入射角为45°。
在其中一个实施例中，所述第二全反射模块包括第三全反射镜和第四全反射镜，所述第三全反射镜与所述第四全反射镜平行设置，所述第三全反射镜用于将入射的所述P偏振态激光反射到所述第四全反射镜；所述第四全反射镜用于将所述第三全反射镜反射出来的P偏振态激光反射到所述第二偏振模块。
在其中一个实施例中，入射到所述第三全反射镜的P偏振态激光的入射角为45°；所述第三全反射镜反射到所述第四全反射镜的P偏振态激光的入射角为45°。
在其中一个实施例中，所述第一偏振模块包括第一偏振片，所述第一偏振片用于将所述第一全反射模块反射出来的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块。
在其中一个实施例中，所述第二偏振模块包括第二偏振片，所述第二偏振片用于将入射的S偏振态激光反射出去，所述第二偏振片用于将所述第二全反射模块反射出来的P偏振态激光折射到与所述第二偏振片反射的S偏振态激光的光路上。
在其中一个实施例中，所述第一偏振片与所述第二偏振片平行设置。
在其中一个实施例中，所述第一偏振片反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片的入射角为θ±0.5°，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
在其中一个实施例中，所述第一偏振片反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片的入射角为θ，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
上述激光合束系统通过第一全反射模块和第二全反射模块分别将S偏振态激光及P偏振态激光进行全反射处理，使得能够调整入射S偏振态激光和P偏振态激光的水平和垂直。经过全反射处理的S偏振态激光经由第一偏振模块反射到第二偏振模块后，由第二偏振模块进行再次反射。经过全反射处理的P偏振态激光则由第二偏振模块折射到与第二偏振模块反射的S偏振态激光的光路上，从而完成S偏振态激光与P偏振态激光的合束。单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降低。因此，S偏振态激光与P偏振态激光的合束后，频率是单台激光器的两倍，而平均功率不变。即相当于提高了高频下的单脉冲能量，从而能够提高激光的加工速度。
附图说明
图1为激光合束系统的模块图；
图2为激光合束系统的原理图；
图3为S偏振态激光与P偏振态激光合成示意图；
图4为第一激光器在10kHz下的激光脉冲示意图；
图5为第二激光器在10kHz下的激光脉冲示意图；
图6为采用激光合束系统将图4和图5中激光合束后的激光脉冲示意图。
具体实施方式
如图1所示，为激光合束系统的模块图。
一种激光合束系统，用于将两束激光合束成一束激光，包括第一全反射模块101、第二全反射模块201、第一偏振模块102及第二偏振模块202。
所述第一全反射模块101用于将S偏振态激光反射到所述第一偏振模块102；所述第一偏振模块102用于将入射的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块202，所述第二偏振模块202用于将入射的S偏振态激光反射出去。
所述第二全反射模块201用于将P偏振态激光反射到所述第二偏振模块202；所述第二偏振模块202用于将入射的P偏振态激光折射到与所述第二偏振模块202反射的S偏振态激光的光路上。
请结合图2。
第一全反射模块101包括第一全反射镜1011和第二全反射镜1012，所述第一全反射镜1011与所述第二全反射镜1012平行设置，所述第一全反射镜1011用于将入射的所述S偏振态激光反射到所述第二全反射镜1012；所述第二全反射镜1012用于将所述第一全反射镜1011反射出来的S偏振态激光反射到所述第一偏振模块102。
具体的，第一全反射镜1011与第二全反射镜1012的中心法线重合，即S偏振态激光入射到第一全反射镜1011中心位置时，由第一全反射镜1011的中心位置再反射到第二全反射镜1012的中心位置。
入射到所述第一全反射镜1011的S偏振态激光的入射角为45°；所述第一全反射镜1011反射到所述第二全反射镜1012的S偏振态激光的入射角为45°。
以45°的入射角发射到第一全反射镜1011和第二全反射镜1012，用于调整S偏振态激光的水平和垂直，避免反射到第一偏振模块102上的S偏振态激光的入射角无法满足反射条件，使得经过第二偏振模块202折射出的P偏振态激光无法与S偏振态激光重合。
第二全反射模块201包括第三全反射镜2011和第四全反射镜2012，所述第三全反射镜2011与所述第四全反射镜2012平行设置，所述第三全反射镜2011用于将入射的所述P偏振态激光反射到所述第四全反射镜2012；所述第四全反射镜2012用于将所述第三全反射镜2011反射出来的P偏振态激光反射到所述第二偏振模块202。
具体的，第三全反射镜2011与第四全反射镜2012的中心法线重合，即P偏振态激光入射到第三全反射镜2011中心位置时，由第三全反射镜2011的中心位置再反射到第四全反射镜2012的中心位置。
入射到所述第三全反射镜2011的P偏振态激光的入射角为45°；所述第三全反射镜2011反射到所述第四全反射镜2012的P偏振态激光的入射角为45°。
以45°的入射角发射到第三全反射镜2011和第四全反射镜2012，用于调整P偏振态激光的水平和垂直，避免反射到第二偏振模块202上的P偏振态激光的入射角无法满足折射条件，使得经过第二偏振模块202折射出的P偏振态激光无法与S偏振态激光重合。
第一偏振模块102包括第一偏振片1021，所述第一偏振片1021用于将所述第一全反射模块101反射出来的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块202。
第二偏振模块202包括第二偏振片2021，所述第二偏振片2021用于将入射的S偏振态激光反射出去，所述第二偏振片2021用于将所述第二全反射模块201反射出来的P偏振态激光折射到与所述第二偏振片1021反射的S偏振态激光的光路上。
第一偏振片1021与所述第二偏振片2021平行设置。
请结合图3。
第一偏振片1021反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片2021的入射角为θ±0.5°，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片1021的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
优选地，第一偏振片1021反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片2021的入射角为θ，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片1021的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
基于上述所有实施例，激光器采用紫外激光器，两天激光器垂直方式。互相垂直的两台激光器的发出的激光为线偏振光。激光器输出的激光可以是线偏振光，也可以是圆偏光通过λ/4波片整形成线偏光。两束光可以是互相垂直的线偏光。也可以是平行的线偏光，其中一束通过λ/2波片，偏振方向旋转90度，变为偏振态相互垂直的激光。激光器波长不限。
激光器的输出脉冲是交错输出，即一束激光以一定的频率发射脉冲,另外一束激光以相同的频率滞后上一束激光周期的一半时间发射脉冲.
基于上述所有实施例，激光合束系统的工作原理如下：
假设第一激光器在10kHz下发射S偏振态激光，激光脉冲序列如图4所示。第二激光器在10kHz下发射P偏振态激光，激光脉冲序列如图5所示。第一激光器和第二激光器发射的激光频率相同，且第二激光器以相同的频率滞后第一激光器周期的一半时间发射脉冲。
S偏振态激光依次经过第一全反射镜1011和第二全反射镜1012后，反射到第一偏振片1021。第一偏振片1021将经过全反射后的S偏振态激光反射到第二偏振片2021上。第二偏振片2021将入射的S偏振态激光反射出去。
P偏振态激光依次经过第三全反射镜2011和第四全反射镜2012后，反射到第二偏振片2021上。第二偏振片2021将入射的P偏振态激光折射到与第二偏振片2021反射的S偏振态激光的光路上。即完成S偏振态激光与P偏振态激光的合束。
其中，S偏振态激光入射到第二偏振片2021的入射角θ由第二偏振片2021的折射率和光路所处环境的折射率决定，具体为θ±0.5°，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片1021的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
经由第二偏振片2021合束后的激光脉冲序列如图6所示。从图6中可以看出，单数激光输出频率10kHz，合成后激光脉冲输出间隔变为50μs，重复频率变为20kHz。同样需要高频的激光序列时，单台激光器的重复频率为所需频率的一半，从而增加高频下的平均输出功率。一般来说，单台倍频激光器随着频率的增加，平均功率会降低。而采用激光合束后，如图6所示，频率是单台激光器的2倍，而平均功率不变。相当于提高了高频下的单脉冲能量，从而能提高激光在加工过程中的速度。
上述激光合束系统通过第一全反射模块101和第二全反射模块201分别将S偏振态激光及P偏振态激光进行全反射处理，使得能够调整入射S偏振态激光和P偏振态激光的水平和垂直。经过全反射处理的S偏振态激光经由第一偏振模块102反射到第二偏振模块202后，由第二偏振模块202进行再次反射。经过全反射处理的P偏振态激光则由第二偏振模块202折射到与第二偏振模块202反射的S偏振态激光的光路上，从而完成S偏振态激光与P偏振态激光的合束。单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降低。因此，S偏振态激光与P偏振态激光的合束后，频率是单台激光器的两倍，而平均功率不变，即相当于提高了高频下的单脉冲能量，从而能够提高激光的加工速度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光合束系统，用于将两束激光合束成一束激光，其特征在于，包括第一全反射模块、第二全反射模块、第一偏振模块及第二偏振模块；
所述第一全反射模块用于将S偏振态激光反射到所述第一偏振模块；所述第一偏振模块用于将入射的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块，所述第二偏振模块用于将入射的S偏振态激光反射出去；
所述第二全反射模块用于将P偏振态激光反射到所述第二偏振模块；所述第二偏振模块用于将入射的P偏振态激光折射到与所述第二偏振模块反射的S偏振态激光的光路上。
2.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，所述第一全反射模块包括第一全反射镜和第二全反射镜，所述第一全反射镜与所述第二全反射镜平行设置，所述第一全反射镜用于将入射的所述S偏振态激光反射到所述第二全反射镜；所述第二全反射镜用于将所述第一全反射镜反射出来的S偏振态激光反射到所述第一偏振模块。
3.根据权利要求2所述的激光合束系统，其特征在于，入射到所述第一全反射镜的S偏振态激光的入射角为45°；所述第一全反射镜反射到所述第二全反射镜的S偏振态激光的入射角为45°。
4.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，所述第二全反射模块包括第三全反射镜和第四全反射镜，所述第三全反射镜与所述第四全反射镜平行设置，所述第三全反射镜用于将入射的所述P偏振态激光反射到所述第四全反射镜；所述第四全反射镜用于将所述第三全反射镜反射出来的P偏振态激光反射到所述第二偏振模块。
5.根据权利要求4所述的激光合束系统，其特征在于，入射到所述第三全反射镜的P偏振态激光的入射角为45°；所述第三全反射镜反射到所述第四全反射镜的P偏振态激光的入射角为45°。
6.根据权利要求1所述的激光合束系统，其特征在于，所述第一偏振模块包括第一偏振片，所述第一偏振片用于将所述第一全反射模块反射出来的S偏振态激光反射到所述第二偏振模块。
7.根据权利要求6所述的激光合束系统，其特征在于，所述第二偏振模块包括第二偏振片，所述第二偏振片用于将入射的S偏振态激光反射出去，所述第二偏振片用于将所述第二全反射模块反射出来的P偏振态激光折射到与所述第二偏振片反射的S偏振态激光的光路上。
8.根据权利要求7所述的激光合束系统，其特征在于，所述第一偏振片与所述第二偏振片平行设置。
9.根据权利要求7所述的激光合束系统，其特征在于，所述第一偏振片反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片的入射角为θ±0.5°，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
10.根据权利要求7所述的激光合束系统，其特征在于，所述第一偏振片反射的S偏振态激光入射到所述第二偏振片的入射角为θ，θ＝arctan(n2/n1)，其中n2为第一偏振片的折射率，n1为光路所处环境的折射率。
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