CN117324754A - 一种基于三反光学系统的光束旋转装置及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于三反光学系统的光束旋转装置及激光加工系统，其中，基于三反光学系统的光束旋转装置包括三反光学系统和旋转机构，三反光学系统包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜用于将其入射光全反射至第二反射镜，第二反射镜用于将其入射光全反射至第三反射镜，第三反射镜用于将其入射光全反射为出射光，旋转机构具有唯一旋转轴，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均固定在旋转机构中，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴可重合。将上述基于三反光学系统的光束旋转装置应用至不同的激光加工系统，能够调节激光加工系统的出射光的偏振方向或空间光方向，进而实现不同的应用。

Description

一种基于三反光学系统的光束旋转装置及激光加工系统

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，尤其涉及一种基于三反光学系统的光束旋转装置及激光加工系统。

背景技术

激光加工是近几十年来高速发展的新型加工技术，具有高精度、高效率、高质量、无机械损耗等优势，已成为传统加工方式的优势互补，甚至在某些领域有取代传统加工技术的趋势，尤其是在微纳加工领域，更是具有无可替代的优势。激光加工中，激光的功率是主要的工艺参数之一，直接决定了加工的效果和质量。除了功率，偏振也是一个很重要的光学参数，通过偏振控制可实现分光、可调衰减等各种光束调控，因此如何通过光学系统控制偏振是很重要的研究方向。

一般激光器输出激光以线偏振光居多，对线偏振的方向控制可以通过1/2波片进行很方便的控制。1/2波片是一种具有一定厚度的双折射晶体，其原理为：当法向入射的光透过时，o光和e光之间的位相差等于π或其奇数倍，则自晶体板出来的合成光仍为线偏振光，不过出射光的振动平面相对入射光的振动平面旋转了2θ角。可见，1/2波片制造的关键在于精确控制波片的厚度，使o光和e光间的位相差为π或其奇数倍。显然，对于波长越小的情况，波片的厚度误差对相位差的影响越大，因此也更难以制造。

除了对激光本身性质的调控，通过空间光整形改变激光光场分布也对激光加工具有重要影响。由于传统高斯型激光能量中间强四周弱，加工质量一般均匀性较差，而且激光焦点较小，虽然保证了加工精度，但难以适应大幅面高效加工需求。光束整形技术为克服这些问题提供了解决方案。但是经过整形的光束已不再是如入射光束一样的圆对称光束，若加工路径不是直线，则激光束能量分布方向与路径的夹角不为恒定值，就会影响加工质量和一致性，因此需要根据路径的变化进行实时空间光束跟随。

公开号为CN111281651A的发明专利公开了一种在整形光路中设置道威棱镜的方案，该方案通过旋转道威棱镜，可实现多光束相对于光轴的旋转，从而改变多光束相对于路径的角度，最终实现非直线路径的加工操作。然而，由于整形光束存在发散角，即从整形元件出射的各光束之间不是互相平行的状态，由于折射效应的存在，则各光束在道威棱镜中经过的光程也不一致，最终导致聚焦面成形的光场分布与设计的光场分布不匹配，无法实现预期的加工效果。

综上，在激光加工过程中，出于对分光、可调衰减、偏振旋转跟随、空间光旋转跟随等需求，需要利用光学系统对激光的偏振方向和空间光分布方向进行实时控制，而现有方案和技术都存在无法避免的缺点，因而亟需开发新型光学系统。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于三反光学系统的光束旋转装置及激光加工系统，将基于三反光学系统的光束旋转装置应用至不同的激光加工系统，能够调节激光加工系统的出射光的偏振方向或空间光方向，进而实现不同的应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三反光学系统的光束旋转装置，包括三反光学系统和旋转机构，三反光学系统包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜用于将其入射光全反射至第二反射镜，第二反射镜用于将其入射光全反射至第三反射镜，第三反射镜用于将其入射光全反射为出射光，旋转机构具有唯一旋转轴，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均固定在旋转机构中，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴可重合。

一种激光加工系统，包括加工激光束，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，加工激光束射向第一反射镜，作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合，加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的偏振方向将随之旋转。

一种激光加工系统，包括加工激光束，偏转分束镜，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，加工激光束射向第一反射镜，作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合，偏转分束镜设置在第三反射镜的出射光路上，加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的偏振方向将随之旋转，且从第三反射镜射出的加工激光束经偏转分束镜分束后的两光束的能量比例可调。

一种激光加工系统，包括加工激光束，以及沿加工激光束的光路依次布置的整形系统、4f系统和聚焦系统，加工激光束为具有旋转对称光斑的光束，整形系统用于将加工激光束整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的光束，4f系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，聚焦系统的焦距为f，其中：第一透镜与整形系统的间距为f1，第一透镜与第二透镜的间距为f1+f2，第二透镜与聚焦系统的间距为f2+f；

还包括上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，基于三反光学系统的光束旋转装置设置在加工激光束的光路上，且其位于整形系统与聚焦系统之间，整形系统的出射光作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合；

加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的空间光方向可调，根据加工需求匹配加工路径与空间光方向的夹角，使之保持为定值，实现空间光跟随。

进一步的，所述基于三反光学系统的光束旋转装置位于4f系统与聚焦系统之间。

进一步的，所述整形系统为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列。

进一步的，所述整形系统为透射式整形器件或反射式整形器件。

进一步的，所述加工激光束为具有旋转对称光斑的高斯激光束。

本发明的有益效果为：

本发明的三反光学系统通过在反射镜片上镀膜来匹配不同波长的加工激光束，因而适用范围广，包含极紫外到长波红外，甚至太赫兹波段；本发明的三反光学系统是全反射系统，光路介质不存在折射率突变界面，无色差引入，不会对非平行光路引入光程差，因而避免了折射效应对光束传播方向的影响，从而克服了输出空间光存在畸变和失真现象的问题；本发明通过使三个反射镜片组成的三反光学系统旋转即可很方便地控制加工激光束的偏振方向，适用于执行空间光旋转跟随、偏振旋转跟随、可调衰减和分光等应用。

附图说明

图1为本发明基于三反光学系统的光束旋转装置的光学系统结构示意图；

图2为本发明激光加工系统的光学系统结构示意图(实施例一)；

图3为本发明激光加工系统的光学系统结构示意图(实施例二)；

图4为本发明激光加工系统的光学系统结构示意图(实施例三)。

标注说明：1、第一反射镜，2、第二反射镜，3、第三反射镜，4、旋转机构，5、加工激光束，6、工控机，7、偏转分束镜，8、整形系统，9、第一透镜，10、第二透镜，11、聚焦系统。

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实例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，一种基于三反光学系统的光束旋转装置，包括三反光学系统和旋转机构4。

三反光学系统包括第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3，第一反射镜1用于将其入射光全反射至第二反射镜2，第二反射镜2用于将其入射光全反射至第三反射镜3，第三反射镜3用于将其入射光全反射为出射光。

旋转机构4具有唯一旋转轴，第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3均固定在旋转机构4中，且旋转机构4的旋转轴、第一反射镜1的入射光的光轴、第三反射镜3的出射光的光轴可重合。

采用上述基于三反光学系统的光束旋转装置的实施例一：

请参阅图2所示，一种激光加工系统，包括加工激光束5，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3上均镀有与加工激光束5的波长相匹配的增反膜，增反膜能够减少反射镜片的透过率，保证光学系统的损耗处于极低水平(下同)，加工激光束5射向第一反射镜1，作为第一反射镜1的入射光，且旋转机构4的旋转轴、第一反射镜1的入射光的光轴、第三反射镜3的出射光的光轴重合。

具体的，加工激光束5的偏振控制方法如下：使旋转机构4绕其旋转轴旋转，从第三反射镜3射出的加工激光束5的偏振方向将随之旋转，同时从第三反射镜3射出的加工激光束5的方向和位置保持不变，能够保证旋转轴与光路的独立性。另外，还可以通过工控机6实现对旋转机构4的实时控制，根据加工需求精准调控加工激光束5的偏振方向，实现偏振旋转跟随。

采用上述基于三反光学系统的光束旋转装置的实施例二：

请参阅图3所示，一种激光加工系统，包括加工激光束5，偏转分束镜7，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3上均镀有与加工激光束5的波长相匹配的增反膜，加工激光束5射向第一反射镜1，作为第一反射镜1的入射光，且旋转机构4的旋转轴、第一反射镜1的入射光的光轴、第三反射镜3的出射光的光轴重合，偏转分束镜7设置在第三反射镜3的出射光路上。

具体的，加工激光束5的偏振控制方法如下：使旋转机构4绕其旋转轴旋转，从第三反射镜3射出的加工激光束5的偏振方向将随之旋转，且从第三反射镜3射出的加工激光束5经偏转分束镜7分束后的两光束的能量比例可调，从而实现加工激光束5能量的可调衰减。另外，还可以通过工控机6实现对旋转机构4的实时控制，根据加工需求精准调控加工激光束5的偏振方向，实现能量跟随。

采用上述基于三反光学系统的光束旋转装置的实施例三：

请参阅图4所示，一种激光加工系统，包括加工激光束5，以及沿加工激光束5的光路依次布置的整形系统8、4f系统和聚焦系统11。

加工激光束5为具有旋转对称光斑的光束。本实施例中，加工激光束5为具有旋转对称光斑的高斯激光束。

整形系统8用于将加工激光束5整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的光束。本实施例中，整形系统8为透射式整形器件或反射式整形器件。更具体的，整形系统8为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列

4f系统包括第一透镜9和第二透镜10，第一透镜9的焦距为f1，第二透镜的10焦距为f2，聚焦系统11的焦距为f，其中：第一透镜9与整形系统8的间距为f1，第一透镜9与第二透镜10的间距为f1+f2，第二透镜10与聚焦系统11的间距为f2+f。

还包括上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜1、第二反射镜2和第三反射镜3上均镀有与加工激光束5的波长相匹配的增反膜，基于三反光学系统的光束旋转装置设置在加工激光束5的光路上，且其位于整形系统8与聚焦系统11之间，整形系统8的出射光作为第一反射镜1的入射光，且旋转机构4的旋转轴、第一反射镜1的入射光的光轴、第三反射镜3的出射光的光轴重合。本实施例中，基于三反光学系统的光束旋转装置4位于4f系统与聚焦系统11之间。

需要说明的是，本实施例的整个光路还由若干反射镜进行引导。

具体的，加工激光束5的偏振控制方法如下：通过工控机6使旋转机构4绕其旋转轴旋转，从第三反射镜3射出的加工激光束5的空间光方向可调，根据加工需求匹配加工路径与空间光方向的夹角，使之保持为定值，实现空间光跟随，从而保证加工效果的一致性。

总的来说，本发明的三反光学系统通过在反射镜片上镀膜来匹配不同波长的加工激光束5，因而适用范围广，包含极紫外到长波红外，甚至太赫兹波段；本发明的三反光学系统是全反射系统，光路介质不存在折射率突变界面，无色差引入，不会对非平行光路引入光程差，因而避免了折射效应对光束传播方向的影响，从而克服了输出空间光存在畸变和失真现象的问题；本发明通过使三个反射镜片组成的三反光学系统旋转即可很方便地控制加工激光束5的偏振方向，适用于执行空间光旋转跟随、偏振旋转跟随、可调衰减和分光等应用。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于三反光学系统的光束旋转装置，其特征在于：包括三反光学系统和旋转机构，三反光学系统包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜用于将其入射光全反射至第二反射镜，第二反射镜用于将其入射光全反射至第三反射镜，第三反射镜用于将其入射光全反射为出射光，旋转机构具有唯一旋转轴，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均固定在旋转机构中，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴可重合。

2.一种激光加工系统，其特征在于：包括加工激光束，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，加工激光束射向第一反射镜，作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合，加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的偏振方向将随之旋转。

3.一种激光加工系统，其特征在于：包括加工激光束，偏转分束镜，以及上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，加工激光束射向第一反射镜，作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合，偏转分束镜设置在第三反射镜的出射光路上，加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的偏振方向将随之旋转，且从第三反射镜射出的加工激光束经偏转分束镜分束后的两光束的能量比例可调。

4.一种激光加工系统，其特征在于：包括加工激光束，以及沿加工激光束的光路依次布置的整形系统、4f系统和聚焦系统，加工激光束为具有旋转对称光斑的光束，整形系统用于将加工激光束整形为在焦平面具有非旋转对称光斑的光束，4f系统包括第一透镜和第二透镜，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2，聚焦系统的焦距为f，其中：第一透镜与整形系统的间距为f1，第一透镜与第二透镜的间距为f1+f2，第二透镜与聚焦系统的间距为f2+f；

还包括上述基于三反光学系统的光束旋转装置，三反光学系统的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有与加工激光束的波长相匹配的增反膜，基于三反光学系统的光束旋转装置设置在加工激光束的光路上，且其位于整形系统与聚焦系统之间，整形系统的出射光作为第一反射镜的入射光，且旋转机构的旋转轴、第一反射镜的入射光的光轴、第三反射镜的出射光的光轴重合；

加工激光束的偏振控制方法如下：使旋转机构绕其旋转轴旋转，从第三反射镜射出的加工激光束的空间光方向可调，根据加工需求匹配加工路径与空间光方向的夹角，使之保持为定值，实现空间光跟随。

5.根据权利要求4所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述基于三反光学系统的光束旋转装置位于4f系统与聚焦系统之间。

6.根据权利要求4所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述整形系统为透射式整形器件或反射式整形器件。

7.根据权利要求4或6所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述整形系统为空间光调制器或衍射光元件或振镜或微透镜阵列。

8.根据权利要求4所述的一种激光加工系统，其特征在于：所述加工激光束为具有旋转对称光斑的高斯激光束。