CN1144074C - 聚焦装置 - Google Patents

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Abstract

一种聚焦装置，尤其是用于激光器装置(1)的聚焦装置，其包括固定在一平面可调整的托架上的聚焦镜(M1)，该聚焦镜具有球形的反射表面(43)，其中，该可调整的托架是由至少在俯视图上看大约为Z形的摆动部件(10)形成的，该摆动部件带有链接在横向臂(25，26)两端上的轴向摆动臂(27)，该轴向臂承载该聚焦镜(M1)，其中该横向臂(25，26)的布置能使沿垂直于置换平面的转动轴转动，且该聚焦镜(M1)的球形反射面(43)的曲率中心(M)至少大体上位于穿过该轴向臂(27)的几何中心并垂直于置换平面的轴线上。

Description

聚焦装置
技术领域
本发明涉及一种聚焦装置，尤其是用于激光器装置的聚焦装置，其包括布置在一平面可置换的托架上的聚焦镜，该聚焦镜具有球形的反射表面。
背景技术
这类聚焦装置经常用于激光器装置中，对准确的焦点调节而言，对各个聚焦镜进行精确的调节是必需的。在传统的聚焦装置中，包括有滑板或滚轴轴承的置换平台(转换或测量平台)用作聚焦镜的托架；而用于这些制作的费用是相当高的，并且经常存在的轴间间隙也会使元件的刚性下降。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种聚焦装置，其具有结构简单而且稳定的优点，而且可以用一种简单的方式制造。
本发明的聚焦装置其特征在于，可置换的托架是由摆动部件加工成形的该摆动部件从俯视图看至少大致为Z形，且该摆动部件带有一与横向臂的两末端相连的轴向摆动臂，该轴向臂上承载有聚焦镜，横向臂的布置应能沿垂直于置换平面的枢轴坐标轴转动，聚焦镜球形反射表面的曲率中心至少大致上位于穿过轴向臂几何中心的轴线上，且垂直于置换平面。
因此，在本发明的聚焦装置中，配备了一Z形摇摆部件，从俯视图看，其具有这样的尺寸和布置，能使轴向摇摆臂的中心和聚焦镜的球形反射表面的圆弧中心相重合。在对Z形摇摆部件进行平移置换时，后者会沿穿过其几何中心的轴线进行转动，从而会使聚焦镜作相应的转动。然而，聚焦镜的这种转动出现在是沿其曲率中心的，即，聚焦镜“沿其反射表面转动”，且因此，这种转动不会引起聚焦光束的偏移。因此，该聚焦了的光束沿着给定直线继续传输，且沿该直线仅仅移动该焦点。最好，聚焦镜反射面的曲率中心位于入射光束和在置换过程中聚焦镜的焦点偏移所沿着的线之间的中线上。
根据本发明的聚焦装置可有效地用在激光器装置中，尤其是用在激光谐振腔中，例如，WO 98/10494 A中描述的这类激光器装置。尤其是，本发明也可用于散光补偿激光谐振腔中，例如在Herwig W.Kogelnik，Erick P.Ippen，Andrew Dienes，Chaeles Shank所著的“用于CW染色激光器的散光补偿谐振腔(Astigmatically CompensatedCavities for CW Dye Laers)”中所描述的那样，该文章刊登在1972年3月出版的第三期量子电子学期刊(Journal QuantumElectronics)，QE-8的第373-379页上；在这类激光谐振腔装置中，激光媒质，例如激光晶体，具体地说是Ti:S(钛-蓝宝石)激光晶体，被以平面平行板的形式放置，并相对于激光束成布儒斯特角，且利用聚焦镜将激光束聚焦在激光媒质上。然而，向布置成布儒斯特角的激光媒质聚焦光束会引入散光，但该散光可通过倾斜聚焦镜来进行补偿。
然而，基本上来讲，这种的聚焦装置可用在通常的利用凹面镜将光束或激光光束分别聚焦，且焦点必需得精确调节的任何装置中。
为了布置该托架和其轴承座，可以想象采用一种包括有滑轮(如摇摆部件的轴向臂)并带有扁平钢弹簧(如“铰接的”横向臂)的结构模型。同样可以想象的实施例是刚性横向臂连接在轴向臂上，并可转动地安装在其远离轴向臂的末端处。从制造的简单与否这一角度来看，如果Z形摆动部件的横向臂其远离轴向臂的末端，通过薄材料区域以整体铰接的形式和基部轴承座连接在一起的话是很有利的。在这种情形下，最好是基部轴承座具有板形的外形。
同样的，如果该Z形摆动部件的横向臂是通过薄材料区域以整体铰接的形式连接在轴向臂上的话也是适合的。
因此，在本发明的聚焦装置中，最好是参考本身已是已知的技术，即通过弹性的可变形的轴承座元件来安装托架，正如MellesGriot，p.368/369目录中术语“弯曲装置(Flexure Arrangement)”所描述的那样。在已知的装置中，通过使其轴承座部分发生有弹性的变形来调节该托架，但这会导致本申请所不希望的平行偏移的出现。为了消除这类平行偏移，曾建议采用被称作“复合弯曲布置”的结构，但该结构是相当复杂的。与这种包含有可弯曲的复合安装相比，当前的Z形摆动部件在制作方面更简单化，而且在操作过程中也更稳定。
此外，从大规模生产的角度来看，如果该Z形摆动部件能从该板状基部轴承座通过在薄材料区域配备开口便可加工出来的话，证明是适宜的。制作可以从一个较厚的底板(例如具有大约20毫米的厚度)开始，该底板中加工有用于开口的各自的槽，例如，铣成的，超过底板的部分厚度(例如大约是15毫米)。然后，剩余的厚度(例如大约是5毫米)可通过研磨去除，以使形成带有Z形摆动部件的基部轴承座的底板保留下来，其具有大约15毫米的厚度。在分别加工槽，或开口时，当然也包括其它步骤，可以使用电火花腐蚀或水炬切割。
最好，形成整体铰接的该薄材料区域或材料金属薄片具有大约0.3毫米至0.5毫米的厚度，具体地说大约0.4毫米。具备了这些尺寸，就能确保使该Z形摆动部件获得理想的弹性可动性，而不破坏薄材料区域。令人吃惊的是，已经证明，更厚材料的薄片比这种厚度在约十分之几毫米的薄材料区域更容易断裂。
从一方面，所需的弹性变形量，和从另一方面，所期望的稳定性的角度来看，如果该板状基部轴承座和该Z状摆动部件是由铝或铝镁合金制成的话也是适宜的。
为了能提供更多的自由空间来方便安装聚焦装置其它的部件，尤其是用于聚焦的在该Z状摆动部件外的部件，如果该Z状摆动部件的轴向臂从俯视图上看具有曲柄的形状也是适宜的。
正如已提到的那样，本发明适宜用于激光器装置中，从而给出了尤其有利的申请，其中激光介质，例如激光晶体，布置在聚焦镜的焦点处，且在该Z状摆动部件的外面。在这种情况中，该Z状摆动部件可承载激光谐振腔其中一个聚焦镜。
附图说明
下面，借助于附图中所示出的优选实施例来对本发明作更详细的说明，但本发明并不限于此。
图1所示为一般的X折叠四反射镜激光谐振腔的示意图；
图2所示为所谓的Z折叠四反射镜激光谐振腔的同等的装置的示意图；
图3所示为带有根据图1所示的X折叠激光谐振腔的板状基部轴承座的俯视图，其中，一个聚焦镜安装在结合在基部轴承座上并可在其中移动安装的俯视图为Z形的的摆动部件上；
图4为图3中底板的俯视图，带有该Z状摆动部件，但未带激光器装置部件；以及
图5所示为该Z状摆动部件的示意图，为了示出在置换时的模型，该置换位置用虚线示出。
具体实施方式
在图1中，示意性的示出了一个激光器装置1，其中激励光束2通过透镜3射向一X折叠激光谐振腔。术语“X折叠”的得出是基于以下事实，分别射向端镜M3和OC的两束激光束相互交叉，从而形成一个“X”。
此外，该激光谐振腔4还布置有两个激光反射镜M1，M2，作为激光媒质的Ti:S(钛-蓝宝石)晶体5位于其中。它是一个平行平面体，例如是一个光学非线性并形成为克尔元件的平行六面体。该激光晶体5布置成一般的布鲁斯特角以减小损失，且激光束被聚焦射入该激光晶体5内。然而，向布置成布儒斯特角的激光晶体5聚焦光束会引入散光，但该散光可通过倾斜聚焦镜M1，M2倾斜角β1和β2来进行补偿。
该两个聚焦镜中的其中一个，M2，是被固定的，而另一个反射镜M1被精确调节以使调节位于激光晶体5上的焦点，如图1中用双箭头6所示的那样。此外，如图1另外的双箭头7，8所示，在装配过程中，激光晶体5和透镜3都可成直线的放置；这些置换将通过图3至图5详细说明。
在图2中，类似的示出了一个Z折叠四反射镜激光谐振腔，其中，激光束d2向上偏移而激光束d1向下偏移；该两个激光束d1，d2和两个激光反射镜M1，M2之间的连接部在一起形成了一个“Z”。
此外，图2中激光器装置的结构元件对应于图1中相应的元件，并且采用了相同的参考标号，故在此就不需要进一步的描述。
图1和图2所说明的激光谐振腔4应当理解是作为上述聚焦装置应用的示例，并且本发明的聚焦装置也可用于，例如，三反射镜谐振腔或也可多反射镜谐振腔(带有多于四个反射镜)，恰如一般的在调节用于聚焦的球面凹镜时的情况。
考虑到既要能对位于激光晶体5上由聚焦镜M1聚焦的焦点进行精确的调节，又能找出激光谐振腔4能有稳定激光性能的稳态区域，就必须置换聚焦镜M1，并使位于聚焦镜M1和激光晶体5之间的激光束的光路不被置换。图1和图2中的9给出了该激光束的光路。为了保持该光束的方位，过去曾使用复杂的置换平台作为聚焦镜1的托架。从图3至图5中可明显看出，在这里改为使用一个俯视图大致为Z形的摆动部件10，该元件的布置和尺寸将在下面更详细的进行说明，从而支持光束9的给定方位尽管在置换过程中沿径向方向会有一转动，从而通过对聚焦镜M1的置换仅仅改变了焦点F(参见图5)。
该Z形摆动部件10可由用作例如根据图1安装全部激光装置的板状基部托架11加工出。因此，图3中示出了透镜3，两个激光反射镜M1和M2，两个端镜M3和OC以及激光晶体5安装在该基部托架11上。如此，便形成了前述图1所示的X折叠四反射镜激光谐振腔。
为了根据该双箭头7所示置换激光晶体5的支架，布置了一个调节心轴12，其被支撑在位于底板11上的固定轴承13上，并与可进行平行置换的承载部件14相结合，如图3中15所示，该承载部件以类似于Z形摆动部件10的方式可由基部托架11加工出，并且从俯视图看其呈U形；类似的，一调节心轴16在18处接合用于透镜3的承载元件17，从而便允许如双箭头8所示进行平行置换。
关于其形状和结构，如同Z形摆动部件10从图4的俯视图可被更清楚地看出那样，两个承载元件14，17从图4的俯视图可被更清楚地看出。
为了得到该Z形摆动部件10，布置了从图4中可看出的两槽状开口19，20，且在该这些开口19，20之间分别有薄材料区域或薄片21，22和23，24，以形成铰接轴线垂直于该平面图的整体铰接。材料区域21，22在剩余的板状基部托架11处连接在Z形摆动部件10的两个外横向臂25，26上，而材料区域23，24以Z形摆动部件10的轴向摆动臂27连在横向臂25，26其中的一个上。
类似地，槽状开口28，29和30，31分别确定了承载元件14，17，且薄材料薄片位于32，33处；34，35和36，37；38，39分别以同样的方式形成整体铰接。以这种方式，这些承载元件14，17可沿双箭头7和8的方向分别进行调节，图1至3中分别采用心轴12和16，但此外又会产生一个横向的细小偏差，但这在本申请的情形下并不会构成问题。
然而，很重要的是，聚焦镜M1可利用Z形的摆动部件10进行置换，其采用的方式使其焦点F或F’在以例如Δ量的置换过程中分别置换，参见图5，图5用点划线40示出了。在图5中，仅仅以直线示意性表示的Z形摆动部件10用实线示出，相应的替代位置在10’处以虚线示出。
从调节的角度来说，调节心轴41适宜安装在底板11上，参见图3，该底板接合用于聚焦在42处反射镜M1的支撑设备。
在图5中，同样示出了与聚焦镜M1相联的并具有球面反射面43的圆环44，依照图5的俯视图可见此圆弧，该聚焦镜M1其球形反射面43例如圆环44的曲率中心M与Z形摆动部件10的轴向臂27的中心相重合(或更精确的讲，是和穿过该中心并垂直与图5的平面图的延伸轴线相重合)；该圆环44的中心M还应位于入射光束d1和线40之间的中线46上，焦点F沿线40偏移。
中心M的重合是很重要的，因为在这种情况下，在Z形摆动部件10的置换过程中，当其中的轴向臂27，例如，向图5所示的右边偏移时而且同时沿其偏移中轴线M转动时，就会导致该聚焦镜M1沿径向替代和转动；然而，由于该聚焦镜M1是沿大约径向替代中心M转动的，这就不会对要聚焦的激光束产生不利影响，分别参见d1和9，由于该反射表面43的球形设计，该焦点F或F’，会分别的保持在与图1和图2所对应的激光束光路9的所述线40上。将要聚焦在其上的结构件，例如，本示例中的激光晶体5，被分别布置在焦点F或F’处，而且该分别对应于替代Δ的焦点F或F’能被精确地进行调节到激光晶体5的给定位置或者激光反射镜M1，M2之间的距离可分别进行调整，以调节激光器的稳态区域。
在进行该调节时，从图5中可见，激光束臂d1些微偏移平行于其纵向光路，参见图5中的d1，但这种平行偏移并不紧要，因为相连的端镜M3是一个平面镜，其足够大以能将激光束d1反射回自身，尽管激光束有该平行偏移。
利用尤其是在图3中可见的这种激光器装置的构造模型，其中在基部托架11上布置有各种各样的构造元件，且可调节的聚焦镜M1布置在可从该基部托架加工出的Z形摆动部件10上，就获得极其紧密的，稳定的和坚固的布置，并且该托架设计也适用于大量生产。该板形的托架11可由铝或铝镁合金制成，且其可有大约15毫米的厚度。在生产时，从厚度例如为20毫米的合适的金属板开始，其中槽的宽度大约是15毫米，对应于各种各样的开口19，20，以及28，29，30，31，尤其可铣成。然后，该圆盘剩余的厚度，在该情况中是5毫米，通过研磨来移除以使穿过其全部厚度并带有开槽的托架11保留下来。这分别确保在剩余薄材料区域的弹性变形下承载元件14，17或Z形摆动部件10的可移动性。
偏离上述说明的布置及排列方向，当然也是容许的，例如，反射表面43曲率中心M稍微偏离延伸通过Z形摆动部件10的轴向臂27的中心的轴线；此外，该两个横向壁25，26可以在长度方面些微不同。Z形摆动部件10的轴向臂27不必要是直的，如示意图5所示那样，但其可是曲柄状的，在图4中的标号45处可以明显看出。借此，就更容易将激光晶体5布置在位于聚焦镜M1和M2之间的聚焦激光束9的光路上。

Claims (20)

1.一种聚焦装置，包括布置在一平面可置换的托架上，并具有球形的反射表面的聚焦镜(M1)，其特征在于该可置换的托架是由Z形的摆动部件(10)形成的，该摆动部件带有连接在横向臂(25，26)两端上的轴向摆动臂(27)，该轴向臂承载该聚焦镜(M1)，其中，该横向臂(25，26)的布置能使沿垂直于置换平面的转动轴转动，且该聚焦镜(M1)的球形反射面(43)的曲率中心，位于穿过该轴向臂(27)的几何中心并垂直于置换平面的轴线上，该聚焦镜(M1)的反射面(43)的曲率中心(M)位于入射光束(d1)和线(40)的中线(46)，其中，沿线(40)该聚焦镜(M1)的焦点(F)在置换过程中偏移。
2.根据权利要求1或2所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)的横向臂(25，26)的末端通过薄材料区域(21，22)以整体铰接的形式连接在基部托架(11)上。
3.根据权利要求3所述的聚焦装置，其特征在于该基部托架(11)具有板状的外形。
4.根据权利要求1或2所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)的横向臂(25，26)通过薄材料区域(23，24)以整体铰接的形式连接在轴向臂(27)上。
5.根据权利要求3所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)，由该板状基部托架(11)通过在薄材料区域(21，22，23，24)设置开口(19，20)加工制造。
6.根据权利要求4所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)，由该板状基部托架(11)通过在薄材料区域(21，22，23，24)设置开口(19，20)加工制造。
7.根据权利要求5所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)，由该板状基部托架(11)通过在薄材料区域(21，22，23，24)设置开口(19，20)加工制造。
8.根据权利要求4所述的聚焦装置，其特征在于该板状基部托架(11)和该Z形摆动部件(10)具有15毫米的厚度。
9.根据权利要求3所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.3毫米至0.5毫米的厚度。
10.根据权利要求4所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.3毫米至0.5毫米的厚度。
11.根据权利要求5所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.3毫米至0.5毫米的厚度。
12.根据权利要求3所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.4毫米的厚度。
13.根据权利要求4所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.4毫米的厚度。
14.根据权利要求5所述的聚焦装置，其特征在于该薄材料区域(21，22，23，24)具有0.4毫米的厚度。
15.根据权利要求7所述的聚焦装置，其特征在于该板状基部托架(11)和该Z形摆动部件(10)由铝制成。
16.根据权利要求7所述的聚焦装置，其特征在于该板状基部托架(11)和该Z形摆动部件(10)由铝镁合金制成。
17.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)的轴向臂(27)具有曲柄的形状。
18.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于激光媒质，如激光晶体(5)布置在聚焦镜(M1)的焦点(F)上，且在该Z形摆动部件(10)的外部。
19.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于该Z形摆动部件(10)承载的一个聚焦镜(M1)是激光谐振腔(4)的一部分。
20.根据权利要求1所述的聚焦装置，其特征在于其被包括在激光器装置(1)中。
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