CN111999958B - 一种基于级联声光偏转的激光分束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联声光偏转的激光分束装置及方法，属于光电子及激光技术领域，具体包括N个相同的声光偏转模块；第一声光偏转模块接收以布拉格衍射角θ_B入射的入射光，入射光经可调注入功率的第一超声场作用后沿第一超声场所在平面方向发生偏转，形成第一级出射光，未发生偏转的出射光作为下一级声光偏转模块的入射光；第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别接收上一级声光偏转模块未发生偏转的出射光，且均在超声场的作用后使出射光发生偏转形成第二级出射光至第N级出射光；第一级出射光至第N级出射光相互平行。本发明的目的在于在同时实现可调能量分束与激光准直的基础上，降低装置成本并实现激光能量的动态可调，以满足各种加工需要。

Description

一种基于级联声光偏转的激光分束装置及方法

技术领域

本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种基于级联声光偏转的激光分束装置及方法。

背景技术

分束器是激光领域的常用装置，其主要作用是将一束能量/功率较高的激光进行重新分配，达到提升加工效率的目的。随着激光技术的不断提高，输出激光的功率/能量也越来越高，尤其是对于在精密未加工领域用的超短脉冲激光器，输出功率的提高一方面是通过提升单脉冲能量获得，另一方面是通过提升输出频率的方式来实现。因此，针对高重复率、高平均功率的激光光源通常采用分束技术实现多光束的并行加工，以此来提升激光光源的加工效率，同时也提升了激光器系统的能量利用率。因此，超高速激光加工技术是未来激光加工技术发展的方向，其中分束器是该系统的核心单元器件之一。

激光分束器根据分束原理可分为折射激光分束器及衍射激光分束器。衍射激光分束器的典型代表就是DOE，衍射激光分束器是根据输入光束的特点，通过加载复杂结构，使这些光场在特定输出面进行衍射传输及干涉叠加，形成特定的多光束分布。然而这类分束器对制作要求极为苛刻，很小的制作误差将导致目标衍射场外高级衍射增加，使分束均匀性及衍射效率下降。传统折射型分束器如透镜阵列及棱镜阵列，这类分束器是对输入激光波前进行分割，优点是结构简单、能够进行多个激光波长的分束。采用定制的镜组阵列会使得分束器成本上升，同时传统分束装置出射光通常是非平行光，因此还需加入一组傅里叶透镜对进行准直。不仅如此，传统的分束器能量分配一旦确定后，无法动态的调整。为了满足复杂加工要求的需求，对每一个子光束的能量进行动态调控，实现能量可编程的加工。因此，寻求一种综合性能较好的简易能量可调的激光平行分束装置以同时实现可调能量分束与激光准直，在激光加工系统中显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于级联声光偏转的激光分束装置及方法，由此解决传统分束装置出射光通常是非平行光，需加入一组傅里叶透镜对进行准直以及无法动态调整的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于级联声光偏转的激光分束装置，包括：N个相同的声光偏转模块和N个超声场产生模块；

N个相同的声光偏转模块依次记为第一声光偏转模块、第二声光偏转模块、…、第N声光偏转模块；

所述超声场产生模块用于产生作用在所述第N声光偏转模块上的所述第N超声场；

所述第一声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角θ_B入射的入射光，所述入射光经过可调注入功率的第一超声场作用后沿所述第一超声场所在平面方向发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第一级出射光，未发生偏转的出射光作为下一级声光偏转模块的入射光；

第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别用于接收上一级声光偏转模块未发生偏转的出射光，且均在超声场的作用后使出射光发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第二级出射光至第N级出射光；

N为大于等于2的整数。

优选地，所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能单元和声光互作用介质；

所述压电换能单元为附着于所述声光互作用介质表面的一层金属片，且所述压电换能电源中压电层两端的电极层与所述射频驱动电源相连接；所述声光互作用介质设置在所述声光偏转模块内；

工作时，施加可调能量的射频信号驱动信号源工作，在所述压电换能单元位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于所述声光互作用介质时形成具有体光栅性质的能量可调的超声场。

优选地，所述压电换能单元包括LN晶体。

优选地，所述声光互作用介质包括熔石英、石英晶体、氧化碲或钼酸铅。

优选地，还包括超声场控制模块，所述超声场控制模块用于调节超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

优选地，通过调节相邻声光偏转模块的水平位置以实现控制对应级次平行出射光的间距。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于级联声光偏转的激光分束方法，该方法包括以下步骤：

沿入射光方向依次设置N个相同的声光偏转模块，其中N为大于等于2的整数；

在N个声光偏转模块中分别设置超声场产生模块；

入射光以布拉格角θ_B入射第一声光偏转模块，在超声场产生模块产生的超声场作用下，正一级衍射光形成第一束出射光，零级衍射光继续入射到第二声光偏转模块，并同样以布拉格角θ_B入射，以此类推，由第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别形成以布拉格角θ_B出射的正一级衍射光，作为第二至第N级出射光。

优选地，还包括调节相邻声光偏转模块之间的距离以实现调节相邻出射光光束之间的距离。

优选地，还包括调节超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明利用超声场注入功率可控的声光偏转模块，可根据实际加工需要，合理设置注入声功率，分别控制各级光的能量。操作更简单，可以实现各子光束能量的动态调整，实现能量可编程的动态加工；

2、本发明中各级声光偏转模块均发生布拉格衍射，各级入射光均以布拉格角入射，以布拉格角出射，这保证了各级出射光严格平行，无需增加光学元件进行准直；

3、本发明通过改变相邻声光调制器的水平位置，可以控制对应级次出射光的间距，操作简单可靠；

4、本发明可以实现任意束激光输出，可根据用户要求，将用户指定的波长和功率的激光通过多级声光偏转模块级联实现准直与分束，满足多种实际需求的使用。

附图说明

图1是本发明实施例中声光偏转基本原理示意图；

图2是本发明实施例中声光偏转模块的侧视图、俯视图、正视图；

图3是本发明实施例中1分4声光偏转分束装置的示意图；

图4是本发明实施例中通过探测器测得的光束能量分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-图2所示，本发明提出了一种基于级联声光偏转的激光分束装置，包括：N个相同的声光偏转模块和N个超声场产生模块；

N个相同的声光偏转模块依次记为第一声光偏转模块、第二声光偏转模块、…、第N声光偏转模块；

所述超声场产生模块用于产生作用在所述第N声光偏转模块上的所述第N超声场；

所述第一声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角θ_B入射的入射光，所述入射光经过可调注入功率的第一超声场作用后沿所述第一超声场所在平面方向发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第一级出射光，未发生偏转的出射光作为下一级声光偏转模块的入射光；

第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别用于接收上一级声光偏转模块未发生偏转的出射光，且均在超声场的作用后使出射光发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第二级出射光至第N级出射光；

N为大于等于2的整数。

具体的，所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能单元和声光互作用介质；

所述压电换能单元为附着于所述声光互作用介质表面的一层金属片，且所述压电换能电源中压电层两端的电极层与所述射频驱动电源相连接；所述声光互作用介质设置在所述声光偏转模块内；

工作时，施加可调能量的射频信号驱动信号源工作，在所述压电换能单元位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于所述声光互作用介质时形成具有“体光栅”性质的能量可调的超声场。

具体的，所述压电换能单元包括LN晶体。

可选地，所述声光互作用介质包括熔石英、石英晶体、氧化碲或钼酸铅。

具体的，还包括超声场控制模块，所述超声场控制模块用于调节超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

具体的，发生的声光偏转全部为布拉格衍射，并且只出现正一级衍射光与零级衍射光；

所述正一级衍射光作为平行光束的出射光；所述零级衍射光作为下一级声光偏转模块的入射光。

具体的，通过调节相邻声光偏转模块的水平位置以实现控制对应级次平行出射光的间距。

更进一步的说明，以同时实现能量动态可调平行分束为目的，本发明提供了一种基于级联声光偏转的激光分束装置，其整体思路在于：利用多级级联的声光偏转模块发生声光偏转，每级声光偏转将入射激光中的一部分能量转移到对应级次出射光中，通过改变注入声功率可以控制每一束子光线从入射光线中分得的能量，且注入功率动态可调，实现激光分束能量的动态可调，同时由于每一级声光偏转均为布拉格衍射，因此每一级入射光均能保持布拉格角入射声光偏转装置，同时，每一级出射光均严格保持布拉格角出射，继而确保了出射的各束激光平行。相邻光束间距则与对应级次声光偏转装置的间距有关，通过调节声光偏转装置的间距，可以实现出射光束间距可调，以满足各种加工需要。

更进一步的说明，为实现上述目的，按照本发明提供了一种基于声光偏转的可调能量激光分束装置，包括：N个完全相同的声光偏转模块，依次为第一声光偏转模块、第二声光偏转模块、……、第N声光偏转模块，作用在所述第N声光偏转模块上的第N超声场；所述第N声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角θ_B入射的第N级入射光；第一级入射光经过具有N个可调注入功率的第N超声场作用后沿着所述第N声光偏转模块超声场平面的方向发生偏转，实现第N束出射光。发生的声光偏转全为布拉格衍射，只出现正一级与零级衍射光。

其中，声光偏转模块还包括：第N超声场产生模块，用于产生所述作用在所述第N声光偏转模块上的所述第N超声场。所述的第N超声场的方向沿Y轴方向。

具体的，所述声光偏转模块为声光偏转器。

其中，第N超声场产生模块包括：射频驱动电源、压电换能器和声光互作用介质；所述压电换能器为附着于所述声光互作用介质表面的一层薄金属片，且所述压电换能器中压电层两端的电极层用于与所述射频驱动电源相连接；声光互作用介质设置在所述第N声光偏转模块内；工作时，施加可调能量的射频信号驱动信号源工作，在压电换能器位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于声光互作用介质时形成具有“体光栅”性质的能量可调的超声场。

更进一步的说明，压电换能器包括LN晶体；所述声光互作用介质包括熔石英、石英晶体、氧化碲或钼酸铅。

第一声光偏转模块用于接收入射光束，一级衍射光作为平行光束的第1级出射光，零级衍射光形成下一级声光偏转装置的入射光；

第二声光偏转模块至第N-1平行平板分别用于接收由上一级声光偏转装置的零级衍射光，并通过布拉格衍射，一级衍射光形成对应级次的出射光束，由于这些级联的声光偏转装置完全相同，且出射光均以布拉格角出射，因此各个出射光间保持严格平行，零级衍射光形成下一级声光偏转装置的入射光，N为大于2的整数，实现N级能量可调的平行光分束；

入射光束以布拉格角θ_B入射第一声光偏转装置，θ_B与超声产生装置有关，更具体的，假设声光相互作用介质折射率为n，介质内的声速为v，声频率为f_s，声光优值为M₂，换能器宽度为H，长度为L，入射光在空气中的波长为λ，两级相邻声光偏转装置沿Z轴水平距离为dz，两级相邻的出射光间距为l。布拉格角θ_B可表示为：

第N级声光偏转装置与第N-1级声光偏转装置关于Z轴平行放置，关于Y轴向Y轴负方向平移，平移距离为dy，其大小可表示为：

dy＝dz*tanθ_B

相邻级次衍射光间距l可以表示为：

因此，通过调整相邻声光调制器的水平位置就可以控制对应级次平行出射光的间距。

第N级声光偏转器的衍射效率(第一级衍射光与第零级衍射光能量之比)

与第N超声场的注入声功率P_n关系可表达为：

因此，通过调节各级超声场的注入声功率即可调节各级出射光的能量。

具体的，本发明的一个实施例提出了以1分4分束为例来说明本发明具体实施方法，即即N＝4，要求分束光线能量相同，分束光线间距l＝5mm；

实现声光偏转所采用的声光调制器的具体规格为，换能器长度L＝30mm，换能器宽度H＝3mm，声光相互作用介质为石英晶体，折射率n为1.55，声光优值M₂为3.5*10^-15s³/kg，声频率为68MHz，晶体内声速度为5750m/s，入射光波长λ为1064nm；

具体实施方案如图3所示，入射光I₀以布拉格角θ_B入射第一声光偏转模块。布拉格角在本实例中的具体参数计算如下：

入射光I₀发生布拉格衍射，正一级衍射光形成第一束出射光I₁，零级衍射光继续入射到第二声光偏转模块，同样以布拉格角入射，正一级衍射光形成第二束出射光I₂，由于两束衍射光与水平方向Z轴夹角均为布拉格角，因此两束衍射光严格平行，以此类推，第二声光偏转装置的零级衍射光以布拉格角入射第三声光偏转模块，产生的正一级衍射光形成第三束出射光I₃，第零级衍射光以布拉格角入射第四声光偏转模块，产生的正一级衍射光形成第四束出射光I₄.四束出射光均以布拉格角出射，保证出射光之间的严格平行，实现出射光的准直。

每一级出射光的能量与对应声光偏转模块的衍射效率密切相关，每一级出射光的能量可通过改变注入声功率继而改变该级声光偏转装置的衍射效率η_N实现，每一级入射光未被衍射的部分即第零级衍射光成为下一级声光偏转装置的入射光，因此每一级出射光能量可写为：

I₁＝I₀η₁

I₂＝I₀(1-η₁)η₂

……

当要求等能量分束时，则每一级声光偏转装置的衍射效率应分别为η₁＝25％，η₂＝33.3％，η₃＝50％，η₄＝100％。对应所需的注入声功率公式为：

对应计算得到晶体内的声功率P₁＝0.748w，P₂＝1.0216w，P₃＝1.6829w，P₄＝6.7317w。实际应用中声功率应以此为参考，根据实际操作进行调试实现目标衍射效率。

此外，通过编码超声场产生模块的输出，可以控制四束出射光产生不同组合的输出。将单束出射光输出定义为1，不输出定义为0，对应四束出射光，则有2⁴种组合方式，详见表1。通过对衍射效率编码，就可以动态改变四束出射光的分光输出，实现可编程的动态加工。

表1不同组合方式的出射光对应的衍射效率

分束光间距与声光偏转装置摆放间距有关，根据分束光线间距5mm要求，对应计算相邻声光偏转装置z轴间距dz与dy：

dy＝dz*tanθ_B

将l＝5mm，θ_B＝4.1mrad带入，计算得相邻声光偏转装置的水平间距dz为61.6cm，垂直间距dy为2.5mm。在出射光末端可放置一个激光探测器，探测器垂直与出射光放置，来监控各级出射光的能量，在本例子的分束情况下，其探测器示意图如图4所示，四束分束光能量大小相等，且间距l＝5mm，最后未被衍射的部分Iout作为监控系统稳定性的参考光束。实际应用中，可根据探测器上测得的能量分布，通过调节各级声光偏转装置的注入功率继而动态调节各级出射光的能量。通过监测最后未被衍射的出射光Iout，可以监测分束系统的稳定性，因为最后未被衍射的部分密切关联于各级声光偏转装置，当某级声光偏转装置发生波动时，检测到未被衍射的出射光Iout也会发生波动。

更进一步的当需要更多分束，则对应增加所使用的声光偏转装置N的数量进行级联，设计方法类似，通过改变每个声光偏转装置的注入声功率P可以实现每一级分束光功率动态可调，通过改变相邻声光偏转装置水平间距dz可实现任意分束光间距可调，每一级分束光均为布拉格衍射的正一级衍射光，保证了出射光束的严格平行。

更进一步的说明，本发明的另一个实施例提出一种基于级联声光偏转的激光分束方法，该方法包括以下步骤：

S1，沿入射光方向依次设置N个相同的声光偏转模块，其中N为大于等于2的整数；

S2，在N个声光偏转模块中分别设置超声场产生模块；

S3，入射光以布拉格角θ_B入射第一声光偏转模块，在超声场产生模块产生的超声场作用下，正一级衍射光形成第一束出射光，零级衍射光继续入射到第二声光偏转模块，并同样以布拉格角θ_B入射，以此类推，由第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别形成以布拉格角θ_B出射的正一级衍射光，作为第二至第N级出射光。

更进一步的说明，还包括调节相邻声光偏转模块之间的距离以实现调节相邻出射光光束之间的距离。

更进一步的说明，还包括调节超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于，包括：N个相同的声光偏转模块和N个超声场产生模块；

N个相同的声光偏转模块依次记为第一声光偏转模块、第二声光偏转模块、…、第N声光偏转模块；

所述超声场产生模块用于产生作用在所述第N声光偏转模块上的第N超声场；

所述第一声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角θ_B入射的入射光，所述入射光经过可调注入功率的第一超声场作用后沿所述第一超声场所在平面方向发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第一级出射光，未发生偏转的出射光作为下一级声光偏转模块的入射光；

第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别用于接收以布拉格衍射角入射的上一级声光偏转模块未发生偏转的出射光，且均在超声场的作用后使出射光发生偏转并以布拉格衍射角θ_B出射，形成第二级出射光至第N级出射光；N为大于等于2的整数；

所述第一级出射光至所述第N级出射光的出射方向均相互平行，且根据实际对各级出射光的能量需要，通过调节超声场产生模块的注入射频功率，分别控制各级出射光的能量，简易实现兼具相互平行且能量动态调整的各级出射光。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于：所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能单元和声光互作用介质；

所述压电换能单元为附着于所述声光互作用介质表面的一层金属片，且所述压电换能单元 中压电层两端的电极层与所述射频驱动电源相连接；所述声光互作用介质设置在所述声光偏转模块内；

工作时，施加可调能量的射频信号驱动信号源工作，在所述压电换能单元位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于所述声光互作用介质时形成具有体光栅性质的能量可调的超声场。

3.根据权利要求2所述的一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于：所述压电换能单元包括LN晶体。

4.根据权利要求2所述的一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于：所述声光互作用介质包括熔石英、石英晶体、氧化碲或钼酸铅。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于：还包括超声场控制模块，所述超声场控制模块用于调节所述超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

6.根据权利要求5所述的一种基于级联声光偏转的激光平行分束装置，其特征在于：通过调节相邻声光偏转模块的水平位置以实现控制对应级次平行出射光的间距。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的基于级联声光偏转的激光平行分束装置的分束方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

沿入射光方向依次设置N个相同的声光偏转模块，其中N为大于等于2的整数；

在N个声光偏转模块中分别设置超声场产生模块；

入射光以布拉格角θ_B入射第一声光偏转模块，在超声场产生模块产生的超声场作用下，正一级衍射光形成第一束出射光，零级衍射光继续入射到第二声光偏转模块，并同样以布拉格角θ_B入射，以此类推，由第二声光偏转模块至第N声光偏转模块分别形成以布拉格角θ_B出射的正一级衍射光，作为第二至第N级出射光。

8.根据权利要求7所述的分束方法，其特征在于：还包括调节相邻声光偏转模块之间的距离以实现调节相邻出射光光束之间的距离。

9.根据权利要求7所述的分束方法，其特征在于：还包括调节超声场产生模块的注入射频功率以改变所述声光偏转模块的衍射效率，实现动态改变第一级出射光至第N级出射光的分光输出。

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