CN117693705A - 用于对入射的激光射束进行射束成形的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对入射的激光射束(1)进行射束成形的设备(100)，该设备包括棱镜(2)、偏振旋转器(3)和薄层偏振器(4)，其中，棱镜(2)被布置成使其将入射的激光射束(1)分成第一射束半部(12)和第二射束半部(14)，其中，至少第一射束半部(12)耦入到棱镜(2)中，其中，第一射束半部(12)在第一入射侧(20)射入棱镜(2)中，其中，棱镜(2)被设计成使得第一入射侧(20)相对于入射的激光射束(1)成布鲁斯特角(B)地布置，并且其中，棱镜(2)被设计成使得耦入到棱镜(2)中的第一射束半部(12)在棱镜(2)的出射侧(24)再次从棱镜(2)耦出，其中，第一射束半部(12)以布鲁斯特角从棱镜(2)耦出，其中，薄层偏振器(4)被布置成使其被从棱镜(2)耦出的第一射束半部(12)穿过，其中，偏振旋转器(3)被布置成使其被第二射束半部(14)穿过并且使第二射束半部(14)的偏振旋转，并且其中，第二射束半部(14)被引导成使其被薄层偏振器(4)反射并且薄层偏振器(4)使第一射束半部(12)和第二射束半部(14)叠加。

Description

用于对入射的激光射束进行射束成形的设备

技术领域

本发明涉及一种用于对激光射束进行射束成形的设备，该设备包括棱镜、偏振旋转器和薄层偏振器。

背景技术

对于激光应用通常期望的是，使激光射束的产生与其实际应用在空间上解耦。在空间上解耦可能是出于安全原因，或是因为在应用激光的领域(例如材料加工)中存在可能影响激光源使用寿命的环境条件。此外可以设置单个激光源来供应多个加工站。

对激光射束的这种解耦和引导可以借助于光纤来实现，其中，激光射束可以被耦入到柔性光纤中，并且随后柔性光纤可以例如以节省空间的方式在实际上的应用位置被敷设在线缆通道中。这尤其适用于大功率激光器，例如直接二极管激光器(Diodendirektlaser)或二极管激光器的宽带发射器，这是因为在那里产生的激光功率出于安全原因无法以自由光束的方式通过空气传导。然而，基于其产生原理，这样的激光器类型具有非常不对称的射束截面。尤其，这些射束截面通常是沿第一射束截面轴线明显宽于沿相应另一射束截面轴线。为了使这种加宽的激光射束耦入到光纤中，因此需要在其射束截面上尽可能无损耗地压缩激光射束，从而使得随后可以利用调整光学器件来使合成的激光射束耦入到光纤中。特定应用还依赖于提供基本上旋转对称的射束截面。

在WO 2008/156598 A2中示出了一种用于提高激光强度和用于射束成形的设备。在此，将激光射束划分成两个子射束，其中，第一射束穿过偏振旋转器并且随后与第二子射束在分束器中叠合(überlagert)，从而使得射出的激光射束的射束截面更小。DE 10113019A1公开了一种这样的射束成形设备，其中，借助于偏振分束器立方体(Strahlteilerwürfel)使射束叠合。

这种设备的缺点在于其机械稳定性，机械稳定性尤其在激光功率较大的情况下是安全运行的前提条件。因此，将棱镜固定在分束器立方体中的粘合剂可能在激光功率较高的情况下熔化。此外，射束路径中的经涂层的表面会降低系统的效率。

发明内容

因此，从已知的现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种经改进的用于射束成形的设备。

该目的通过具有权利要求1所述特征的用于对入射的激光射束进行射束成形的设备来实现。有利的改进方案由从属权利要求、附图和本说明书得出。

对应地提出一种用于对激光射束进行射束成形的设备，该设备包括棱镜、偏振旋转器和薄层偏振器。在此，棱镜被布置成使其将入射的激光射束分成第一射束半部和第二射束半部，其中，至少第一射束半部耦入到棱镜中。此外，第一射束半部在第一入射侧处射入棱镜，其中，棱镜被设计成使得第一入射侧相对于入射的激光射束成布鲁斯特角(Brewster-Winkel)地布置，并且其中，棱镜被设计成使得耦入到棱镜中的第一射束半部在棱镜的出射侧处又从棱镜耦出，其中，第一射束半部以布鲁斯特角从棱镜耦出，其中，薄层偏振器被布置成使其被从棱镜耦出的第一射束半部穿过。在此，偏振旋转器被布置成使其被第二射束半部穿过并且使得第二射束半部的偏振旋转，其中，第二射束半部被引导成使其被薄层偏振器反射并且薄层偏振器使第一射束半部和第二射束半部叠合。

射束成形在此尤其被理解为改变激光射束的射束截面。射束截面在此是激光射束垂直于其传播方向所占据的面。尤其，射束成形在此被理解为减小(尤其减半)射束截面，或调整射束截面的纵横比。如果一个轴上的射束截面大于另一轴上的射束截面，那么例如可以通过减小较长轴的长度来实现减小射束截面。

入射的激光射束例如可以来自二极管激光器的宽带发射器。这种发射器典型地在一个轴(慢轴)上的射束品质比在另一个轴(快轴)上的射束品质明显更差。尤其，在这两个轴上经准直的宽带发射器的更差的射束品质是指：沿慢轴的射束截面明显大于沿快轴的射束截面。

然而，入射的激光射束还可以来自直接二极管激光器，该直接二极管激光器通过波长复用将多个激光条(Barren)的辐射统一成辐射集束。在此，每个激光条由多个单独发射器构成。在这些激光条上的单独发射器的几何形状以及这些激光条的布置在此尤其限定直接二极管激光器的射束截面，尤其沿一个轴的射束截面可以比沿另一个轴的射束截面明显更长。

与激光器的实施方式无关，入射的激光射束优选地被提供为p偏振的。这可以通过以下方式来实现，即：要么入射的激光射束由于其产生已经被p偏振，要么通过适合的器件将入射的激光射束转换成p偏振的状态。

所使用的棱镜是三维光学结构元件，该结构元件对于入射的激光射束是透明的并且具有几何形状。棱镜优选地由玻璃制成，例如石英玻璃或硼硅酸盐。然而还可以由各种光学晶体制成，例如石英或蓝宝石。棱镜的材料具有与波长相关的折射率，该折射率与棱镜周围的介质明显不同。周围介质例如可以是空气或真空。由此，尤其当光从周围介质过渡至棱镜时以及当光从棱镜过渡至周围介质时，确定了反射和透射。尤其，通过棱镜的折射率(n₂)和周围介质的折射率(n₁)根据下式限定布鲁斯特角：B＝arctan(n₂/n₁)。此外，根据斯涅耳折射定律(Snelliusschen Brechungsgesetz)，可以推导出在棱镜内部被折射的射束的角度B'＝arcsin(n₁·sin(B)/n₂)，以及在界面处在棱镜内部发生全反射的最小角度B”>arcsin(n₂/n₁)。

棱镜具有不同的平面，这些平面相应彼此成一定角度布置。棱镜的侧面相对于彼此布置的角度可以利用方程：90°-B从布鲁斯特角推导出。因此，与棱镜基底平行的射束以布鲁斯特角射至第一入射侧并且同样以布鲁斯特角从出射侧又射出。

在此，入射的激光射束指向棱镜的棱边，使得棱镜的棱边将射束截面分成第一射束半部和第二射束半部，并且例如将入射的激光射束分成两半。

于是，至少第一射束半部射入棱镜。如果这两个射束半部射入棱镜，那么第一射束半部是在其进一步的射束路径上穿过薄层偏振器的那个射束半部。

棱镜的第一入射侧是棱镜的、第一射束半部经其射入到棱镜中的那侧。

入射平面被定义为第一入射侧的垂线与入射的激光射束所占据的平面。

激光射束的偏振通过激光射束的光的电场方向给出。当光的电场位于入射平面中时，对应地存在p偏振。当光的电场垂直于入射平面时，存在s偏振。

棱镜的第一入射侧被定向成使得第一射束半部以布鲁斯特角射至棱镜的入射侧并且因此随后基本上无损耗地射入棱镜。

布鲁斯特角被定义为光到棱镜侧上的入射角，s偏振光以该入射角在周围介质的过渡处被棱镜反射，然而p偏振光可以穿透棱镜。

布鲁斯特角还总是涉及相应的射束半部所射至或该射束半部从其出射的那侧的表面法线(垂线)。布鲁斯特角可以类似地被定义为用于从棱镜向周围介质的过渡。

例如，如果p偏振光以布鲁斯特角落到棱镜侧，那么光被完全折射到棱镜中。这尤其可以意味着：在这种情况下，光在周围介质与棱镜之间的过渡不会伴随着激光功率损耗。

而如果s偏振光以布鲁斯特角落到棱镜侧，则光部分地透射到棱镜中并且部分被反射。因此，s偏振光只能在激光功率损耗的情况下耦入到棱镜中。

例如，如果非偏振光以布鲁斯特角落到棱镜侧，那么只有s偏振光被反射，从而被反射的射束是线性s偏振光。而透射的射束是p偏振的。因此可以根据光的偏振来对光进行划分。

尤其，入射的激光优选已经是p偏振的，使得激光可以无损耗地射入棱镜。

第一射束半部穿过棱镜。在此，这可能在棱镜内引起至少一次反射。棱镜尤其可以被设计成使得第一射束半部在棱镜中被全反射并且最终到达棱镜的第一出射侧。

棱镜的第一出射侧可以在此在棱镜中被布置成使得产生射出的第一射束半部相对于入射的激光射束的平行偏移。

平行偏移在此被理解为：射出的激光射束相对于射入棱镜的激光射束移位一定间距。射入和射出的激光射束的传播方向在此是相同的。激光射束的平行偏移尤其对激光射束的偏振和能量含量没有影响或影响很小。

耦出的第一射束半部随后被引导穿过薄层偏振器。

所谓的薄层偏振器(Thin Film Polarisator，TFP)是使用布鲁斯特角来将光的偏振划分成p偏振和s偏振的光学构件。薄层偏振器例如可以被构造为被引入激光射束的射束路径中的平面平行的板。如果光以布鲁斯特角落到平面平行的板上，则光根据上述原理被划分成p偏振分量和s偏振分量。

薄层偏振器尤其可以被涂覆有光学涂层。由此可以实现，在某一角度范围内而不是仅针对一个精确的角度满足布鲁斯特条件。棱镜的单个表面或所有表面也可以具有这样的涂层。具有这种光学涂层的棱镜侧同样可以具有薄层偏振器的特性，因此这样制备的棱镜侧同样可以被理解为薄层偏振器。

薄层偏振器尤其可以被用于叠合p偏振分量和s偏振分量。为此，p偏振光可以透过TFP，而s偏振光在TFP的相对侧被反射。在此应注意的是，在必要时须补偿在p偏振光在TFP中透射时产生的平行偏移。

由于射出的第一射束半部的光是p偏振的，因此光可以无损耗地通过薄层偏振器。

第二射束半部在划分之后穿过偏振旋转器。

偏振旋转器被理解为这样的结构元件，该结构元件可以在穿过偏振旋转器时使光的偏振旋转特定的角度。这样的偏振旋转器典型地包括具有适当厚度和取向的双折射晶体。然而还可以使用具有该特性的其他光学材料。

接下来还假设：射入偏振旋转器的光在射出时保持其传播方向。如果光的传播方向发生变化，则可以使用反射镜和透镜的适当组合使耦出的光又与射入的光平行地定向。

例如可以使第二射束半部的偏振旋转45°，从而使得第二射束半部部分p偏振并且部分s偏振。

在第二射束半部穿过偏振旋转器之后，第二射束半部被薄层偏振器反射并且因此与第一射束半部叠合。

这例如可以意味着，第二射束半部具有部分的s偏振并且以任意角度射至薄层偏振器，使得s偏振光和p偏振光部分地在薄层偏振器上被反射并且部分地透射过薄层偏振器。第二射束半部尤其还可以以布鲁斯特角在薄层偏振器上被反射，使得仅s偏振光被反射而p偏振光透射。

此外，第二射束半部以这样的角度落到薄层偏振器上，即，使得被反射的射束随后与p偏振的第一射束半部的被透射的射束平行。

第二射束半部尤其可以被薄层偏振器反射，使得第一射束半部和第二射束半部叠合。

以这种方式使第一射束半部和第二射束半部叠合，从而减小射束截面。

换言之，使入射的激光射束被分成两个射束半部并且随后使这两个射束半部叠合，从而对应地减小射束截面。

第一出射侧可以与耦入到棱镜中的、射至第一出射侧的第一射束半部成布鲁斯特角，其中，薄层偏振器被布置成使其被从棱镜耦出的第一射束半部以布鲁斯特角穿过。

这具有的优点是，通过棱镜和薄层偏振器的透射率特别高。

优选地，偏振旋转器可以安装在棱镜上和/或可以是λ/2板。以这种方式可以实现紧凑的结构。

这具有的优点是可以使光学部件的结构空间最小化。此外，耦出的光束由此与入射的光束具有相同的取向，使得可以节省另外的光学部件。

将偏振旋转器安装在棱镜上例如可以意味着：将偏振旋转器拧接或粘合在棱镜上。然而还可以实现，将偏振旋转器插入棱镜上的凹槽中。在此，偏振旋转器还可以突出于其插入的棱镜侧。

这具有的优点是可以节省结构空间。此外，这可以实现各种光学部件的更稳定的机械连接。

优选地，偏振旋转器被设计成使得第二射束半部的偏振旋转90°，优选地旋转成s偏振。

由此可以实现，只要第二射束半部以布鲁斯特角射至薄层偏振器，第二射束半部就可以在薄层偏振器上被完全反射。

优选地，棱镜可以被设计成使得这些射束半部中的至少一个射束半部在棱镜中被全反射。这可以意味着，由于由射束半部的全反射而产生的方向变化，第一射束半部以优选的角度射至棱镜的出射面。

这还可以意味着，由于由全反射引起的方向变化，第二射束半部以优选的角度射至棱镜的棱镜基底(Prismenbasis)。棱镜基底在此是棱镜的、第二射束半部被全反射的那个侧面。

在此，棱镜基底不一定平行于入射的激光射束延伸，而是可以相对于入射的激光射束成一定角度。这尤其可以意味着，形成倾角的棱镜基底导致棱镜中的射束传输时间较长。这尤其应理解为，在棱镜基底倾斜的情况下，棱镜的长度须被选择成使得射束不会在发生全反射之前从棱镜射出。

这具有的优点是，第一射束半部和第二射束半部在棱镜中的方向可以在没有功率损耗的情况下发生变化。

优选地设置有至少一个反射镜，该至少一个反射镜将第二射束半部在穿过偏振旋转器之后反射至薄层偏振器。

在此，第二射束半部的射束路径可以利用至少一个反射镜被反射至薄层偏振器，以至于使得被薄层偏振器反射的第二射束半部与透射过薄层偏振器的第一射束半部叠合。

优选地，上述一个或多个反射镜和棱镜被预装配在共用的基板上。由此可以提高整个光学设备的机械稳定性。

优选地，棱镜被布置并且设计成使得第二射束半部在第二入射侧耦入到棱镜中，其中，第二入射侧相对于入射的激光射束以布鲁斯特角布置。

由此，第二射束半部也完全耦入到棱镜中。此外，第一射束半部和第二射束半部在棱镜内被偏转至不同的光路，使得可以通过棱镜的几何形状来实现进一步的射束成形。

由此还可以降低调节成本并提高这两个子射束的机械稳定性和取向。

在此，棱镜还可以被设计成使得第二射束半部在第二出射侧从棱镜耦出，其中，第二出射侧被布置成使得第二射束半部以布鲁斯特角射至第二出射侧。

第二出射侧在此是棱镜的、第二射束半部从其耦出的那个侧面。由此，p偏振的第二射束半部可以完全从棱镜耦出。

在此，棱镜的第二出射面可以以角度X安装在棱镜基底上。角度X随着棱镜基底相对于入射的激光射束的角度以及全反射角度而变化。由此，经叠合的射束没有能量损耗。

优选地，偏振旋转器被布置成使得从棱镜耦出的第二射束半部穿过偏振旋转器。在此，偏振器尤其可以直接安装在第二出射侧后方。由此可以控制薄层偏振器上的反射效率。

然而，第二射束半部不一定射入棱镜，而是还可以被引导绕过棱镜。由此可以实现，可以向第二射束半部的射束路径中引入额外的光学部件，以便能够更容易地优化第二射束半部的射束路径和特性。

优选地，薄层偏振器可以在棱镜的第一出射侧通过适合的光学涂层来实现。

由此不需要额外的光学结构元件。此外可以因此改善结构的机械稳定性。通过适当的宽带涂层可以实现，在特定的角度范围内，各个角度对于第一射束半部和第二射束半部均具有布鲁斯特角的效果。

棱镜可以是道威(Dove)棱镜。道威棱镜被理解为具有梯形底面的棱镜。这种梯形侧尤其可以被布置成使得第一射束半部以布鲁斯特角射入到棱镜中，随后在棱镜基底上被全反射并且随后以布鲁斯特角射至第一出射侧。

由此产生了简单的几何形状，该几何形状足以使第一射束半部和第二射束半部偏移至不同的射束路径并且彼此分离地对其进行加工。

上述任务还通过具有权利要求14所述特征的用于对激光射束进行射束成形的方法来实现。从本说明书和附图得出有利的改进方案。

对应地提出一种用于使用设备对激光射束进行射束成形的方法，其中，该设备包括棱镜、偏振旋转器和薄层偏振器。在此，通过射至棱镜来使入射的激光射束被分成第一射束半部和第二射束半部，其中，第一射束半部以布鲁斯特角射至棱镜的第一入射侧、然后射入棱镜、穿过棱镜，并且以布鲁斯特角射至第一出射侧并从棱镜射出，其中，第一射束半部在穿过棱镜之后具有相对于入射的激光射束的平行偏移。此外，第一射束半部在从棱镜射出之后穿过薄层偏振器并且第二射束半部利用偏振旋转器在偏振方面被旋转，其中，第二射束半部通过折射和/或反射朝向薄层偏振器的方向被偏转。此外，第二射束半部被薄层偏振器反射，并且第一射束半部和第二射束半部在射束方向上在薄层偏振器之后全等地叠合。

附图说明

通过以下对附图的描述来详细阐述本发明的其他优选实施方式。在附图中：

图1A示出根据第一实施方式的用于射束成形的设备以及穿过该设备的射束路径的示意图；

图1B示出第一实施方式的棱镜的示意图；

图1C示出第一射束半部穿过第一实施方式的棱镜的射束路径的示意图；

图1D示出第二射束半部穿过第一实施方式的棱镜的射束路径的示意图；

图1E示出与棱镜基底的长度相关的入射角和出射角的示意图；

图2A示出用于射束成形的另一设备以及穿过该设备的射束路径的示意图；

图2B示出第一射束半部穿过另一实施方式的棱镜的射束路径的示意图；

图2C示出第二射束半部穿过另一实施方式的棱镜的射束路径的示意图；

图2D示出另一实施方式的棱镜的几何形状的示意图；

图3A示出用于射束成形的又另一个设备以及穿过该设备的射束路径的示意图；

图3B示出根据又另一个实施方式的射束路径的示意图以展示棱镜角度；以及

图3C示出根据又另一个实施方式的射束路径的示意图以展示棱镜角度。

具体实施方式

在下文中借助附图来描述优选的实施例。在此，不同附图中相同、相似或作用相同的元件设有相同的附图标记，并且部分地省去对这些元件的重复描述，以避免冗余。

在包括图1A、图1B、图1C、图1D的图1中示意性地示出用于对示意性标示的激光射束1进行射束成形的设备100的实施方式。在此未示出激光源，而是激光射束1与其产生无关地被考虑。

在此，激光射束1例如可以借助于直接二极管激光器或宽带发射器被提供并且具有非旋转对称的轮廓。激光射束1由于其源的特性尤其具有基本上矩形的射束截面10，该射束截面10具有的宽度b大于其高度h。

示意性地在图1A中示出激光射束1的射束截面10，其中，射束截面10的宽度范围b位于纸平面内、而高度范围h对应地垂直于纸平面。

在示出的实施方式中，用于射束成形的设备100包括棱镜2、偏振旋转器3、薄层偏振器4和反射镜5。

在此，激光射束1被提供为关于棱镜2的界面p偏振的。这种p偏振可以在入射到用于射束成形的设备100中之前通过对应的光学措施来实现，例如通过借助于双折射晶体或λ/4板来加工激光射束。

在示出的实施方式中，使用棱镜2，该棱镜2关于中心平面200基本上镜像对称地构造并且在原则上像道威棱镜那样构造。在图1B中详细示出了该棱镜2。然而，相比于侧表面通常以45°角度布置的常规道威棱镜，本发明所提出的棱镜2的侧表面以相对于入射的激光射束1且相对于射出的光束相应地对应于布鲁斯特角的角度布置。在示出的实施例中，这与55.42°的角度相对应。棱镜的折射率与波长相关，因此布鲁斯特角对于不同的波长也是不同的。

棱镜2对应地在几何上被设计成使得入射侧20与棱镜基底28围成角度B，并且出射侧24与棱镜基底28围成角度B'。入射侧20的角度B与平行于棱镜基底28入射的激光射束1的布鲁斯特角相对应。在出射侧24被折射的射束的角度B'与从棱镜2射出的激光射束的角度B'相对应。典型地，玻璃中的折射率是1.45(然而在空气中是1)，因此B和B'不同。通过延长棱镜基底28，可以改变棱镜中的传播路线，并且因此改变在出射侧24上的出射位置。然而在此出射角保持不变，如图1E所示。

入射的激光射束1是p偏振的，这通过图像平面中的双箭头表示。入射的激光射束1关于棱镜2被定向成使得入射的激光射束1射至棱镜2的棱边220，从而使得入射的激光射束1被划分成第一射束半部12和第二射束半部14。因此，这两个射束半部仅仍各自包括入射的激光射束1的射束截面16的一半。在本示例中，入射的激光射束1恰好被分成两半。

第一射束半部12以布鲁斯特角B射至第一棱镜侧20。由于第一射束半部12具有p偏振，因此第一射束半部12没有能量损耗以及反射损耗地耦入到棱镜2中。第一射束半部12穿过棱镜2并且基于棱镜2的适当选择的几何形状而在棱镜基底28处被全反射。因此，第一射束半部12在棱镜2内的传播方向在没有能量损耗以及反射损耗的情况下发生变化。

随后，第一射束半部12以角度B'射至第一出射侧24。在此应注意的是，布鲁斯特角B在从周围介质过渡至棱镜2时成立，而经折射的射束的由此得到的角度B'在相反地过渡时成立。

在出射侧24上施加有光学涂层，因而该侧用作薄层偏振器4。p偏振的第一射束半部12可以不受阻碍地穿过薄层偏振器4，因为薄层偏振器4对于该偏振而言可以实现100％透射。在此，从棱镜2射出的第一射束半部12具有相对于射入的第一射束半部12的平行偏移P。

在该实施例中，第二射束半部14在棱镜2旁边经过并且穿过与棱镜2相连的偏振旋转器3。偏振旋转器3在此被设置成λ/2板的形式，该λ/2板使第二射束半部14的偏振旋转90°。因此，第二射束半部14在穿过偏振旋转器3之后被进行s偏振，这通过黑点表示。

s偏振的第二射束半部14落到反射镜5上。反射镜5从其位置和其角度出发被设定成使得第二射束半部14以布鲁斯特角B射至薄膜偏振器4，该薄膜偏振器4在棱镜2的出射侧24通过光学涂层来实现。薄膜偏振器4对于该偏振具有几乎100％的反射，例如超过90％的反射，使得s偏振的第二射束半部14对应地在布置于棱镜2的出射侧24上的薄膜偏振器4上被完全反射。

反射镜5的位置和角度还被设定成使得随后在薄膜偏振器4上被反射的第二射束半部14与被透射的第一射束半部12叠合，以至于使得这两个子射束12、14重合并且对应地形成合成的射束16。

合成的射束16现在具有射束截面18，该射束截面18仅基本上具有就入射的激光射束1的射束截面10而言的一半宽度b'。

此外，合成的激光射束16现在包括来自第一射束半部12的p偏振的部分和来自第二射束半部14的s偏振的部分。

在包括图2A、图2B、图2C和图2D的图2中示出了用于射束成形的设备100的另一实施方式。

入射的、p偏振的激光射束1射至棱镜2的棱边220并且在该处又被划分成第一射束半部12和第二射束半部14。

在此，棱镜2在几何上被设计成并且激光射束1相对于棱镜2被定向成使得第一射束半部12和第二射束半部14这二者均以布鲁斯特角B射至棱镜2的第一入射侧20或第二入射侧22。此外，入射的激光射束1被定向成使得第一射束半部12和第二射束半部14基本上具有相同的射束截面。

由于入射的激光射束1关于偏振器2的界面是p偏振的，因此入射的激光射束1可以无损耗地经第一入射侧20和第二入射侧22耦入到棱镜2中。

第一射束半部12随后在棱镜2内朝向第一出射侧24的方向折射并且在该处以角度B'射至第一出射侧24并且又从棱镜2射出。角度B'适用于在第一出射侧24上在棱镜2内延伸的第一射束半部12。

这尤其应理解为，在这个实施方式中，第一入射侧20和第一出射侧24可以彼此平行地布置。又从棱镜2射出的第一射束半部12随后具有相对于入射的第一射束半部12的平行偏移。

随后，射出的第一射束半部12穿过薄层偏振器4，其中，在此由于第一射束半部12的p偏振，穿过薄层偏振器4发生100％透射。基于薄层偏振器4的厚度，从薄层偏振器4射出的合成射束16可能发生轻微的平行偏移，优选地已经在棱镜的设计方案中考虑到该平行偏移。

第二射束半部14在棱镜2内朝向棱镜基底28的方向折射，在该棱镜基底28处第二射束半部14在棱镜2内的传播方向由于全反射而发生变化。在本实施方式中，棱镜基底28平行于入射的激光射束1延伸。在棱镜基底28处全反射之后，第二射束半部14以角度B'射至第二出射侧26并且对应地以布鲁斯特角从棱镜2射出。

随后，射出的第二射束半部14穿过λ/2板3，第二射束半部14在该处在偏振方面被旋转，使得第二射束半部14在λ/2板之后具有s偏振。

在该示例中，棱镜2的几何形状被选择成使得现在s偏振的第二射束半部14随后以布鲁斯特角B射至薄层偏振器4并在该处高达100％被反射。

尤其，棱镜2的几何形状和薄层偏振器4的布置被选择成使得这两个子射束12、14重合并且对应地形成合成的射束16。

合成的射束16现在又具有射束截面18，该射束截面18仅基本上具有就入射的激光射束1的射束截面10而言的一半宽度b'。

此外，合成的激光射束16现在包括来自第一射束半部12的p偏振的部分和来自第二射束半部14的s偏振的部分。

在包括图3A、图3B和图3C的图3中示出了用于射束成形的设备100的又另一个实施方式。

类似于图2，入射的、p偏振的激光射束1在射至棱镜2时被分解成第一射束半部12和第二射束半部14。在此，第一射束半部12的射束路径与图2中的射束路径相同。

然而，第二射束半部14的射束路径与图2中的射束路径不同。第二射束半部14尽管在射入棱镜2之后还朝向棱镜基底28的方向折射。然而，棱镜基底28并非与入射的激光射束10平行地延伸，这是因为棱镜角度P大于先前示例中的棱镜角度。

然而，第二射束半部14在该实施例中也在棱镜基底28上经历全反射，因为在棱镜基底28上的反射角度T小于图2的实施方式中的反射角度，并且因此仍满足全反射的条件。然而，由于第二射束半部14还应以布鲁斯特条件从棱镜2射出，因此第一出射面26与棱镜基底28围成的棱镜角度X与图2的实施方式相比增大。

第二射束半部14以布鲁斯特角B离开棱镜2并且射至第一反射镜5，该第一反射镜5使第二射束半部14朝向偏振旋转器3的方向被反射。在该处，第二射束半部14的偏振方向被转换成s偏振。在偏振旋转器3之后，第二射束半部14被另一个反射镜5朝向薄膜偏振器4的方向反射。第一射束半部12在该处透射穿过薄膜偏振器4，并且第二射束半部14由于其s偏振而完全被薄膜偏振器4反射。

类似于先前的实施方式，这两个射束半部12、14优选地全等地叠合，使得合成的射束16的射束轮廓18小于入射的激光射束1的射束轮廓10。

从图3B得出对该实施方式有重大意义的各种角度关系。为了清晰起见，仅示出了第二射束半部14的射束下边界。

在此，图示的起点是入射的激光射束1，入射的激光射束1预先设定了水平线，由该水平线来给出系统中的角度。在实施方式中，第一入射侧20和第二入射侧22被布置成与入射的激光射束1成90°-B的角度。

第二射束半部14以相对于表面法线的布鲁斯特角B射至第二入射侧22并且以与表面法线的角度B'折射。在棱镜2中，第二射束半部14以与水平线成B-B'的角度延伸并且随后在棱镜基底28上以角度T被全反射。

根据棱镜的张开角90°-B、棱镜角度P和第二射束半部14相对于水平线的角度通过以下关系得出角度T：360°＝[90°-B]+[P]+[T]+[180°-(B-B')]并且因此T＝90°+2B-B'-P。

在上述方程中，系统的相关角度被总结在方括号中。T尤其须小于全反射角度，使得第二射束半部14在棱镜基底28上被全反射。然而应注意的是，比全反射角度更平缓的入射角同样会引起全反射，因而根据棱镜2和周围介质的折射率得出的全反射角度仅应被视为上限。

在图3C中示出了棱镜2的另外的角度关系，其中，为了清晰起见，仅示出了第二射束半部14的射束上边界。由于第二射束半部14应以角度B'射至第二出射面26，因此棱镜角度X通过以下关系得出：180°＝[T]+[X]+[90°-B']。由于反射角度T如上所示与棱镜角度P相关，因此总体上对于棱镜角度X而言得出以下关系：X＝P-2B。

如果遵守上述角度关系，则因此第二射束半部14以布鲁斯特角B射至第二棱镜侧22并且也以布鲁斯特角B从第二出射面26射出。此外，根据角度关系还得出棱镜2的几何上的外部尺寸。

第一射束半部12还在图3C中示出，然而为了清晰起见仅示出其射束下边界。第一射束半部12与第二棱镜侧22围成90°-2B+B'的角度。由于第一射束半部12应又以角度B'射至第一出射侧24，因此通过关系180°＝[90°-2B+B']+[Y]+[B-B']得出棱镜角度Y，并且因此Y＝90°+B。

在设有额外的偏转反射镜(Umlenkspiegeln)的情况下，薄层偏振器的角度优选与棱镜的设计方案无关。薄层偏振器尤其可以被布置成使得具有s偏振的被反射的射束与p偏振的射束叠合。

薄层偏振器的偏振特性尤其是由薄层堆叠预先设定的，该薄层堆叠可以针对不同的入射角被优化。因此，p偏振的射束还可以(根据薄层偏振器的设计方案)与薄层偏振器成不同于布鲁斯特角的角度。

角度关系还可以直接被应用于图2中示出的设计方式。

如果适用，在实施例中展示的所有单独特征可以相互组合和/或交换，而并不会脱离本发明的范围。

附图标记列表

1 入射的激光射束

10 入射的激光射束的射束截面

12 第一射束半部

14 第二射束半部

16 合成的射束

18 合成的射束的射束截面

2 棱镜

20 第一入射侧

22 第二入射侧

24 第一出射侧

26 第二出射侧

28 棱镜基底

3 偏振旋转器

4 薄层偏振器

5 反射镜

X，P，Y 棱镜角度

T 反射角度

Claims (15)

1.一种用于对激光射束(1)进行射束成形的设备(100)，所述设备包括棱镜(2)、偏振旋转器(3)和薄层偏振器(4)，

其中，所述棱镜(2)被布置成使得该棱镜将入射的激光射束(1)分成第一射束半部(12)和第二射束半部(14)，其中，至少所述第一射束半部(12)耦入到所述棱镜(2)中；

其中，所述第一射束半部(12)在第一入射侧(20)射入所述棱镜(2)，其中，所述棱镜(2)被构造成使得所述第一入射侧(20)以布鲁斯特角(B)相对于入射的激光射束(1)布置，并且

其中，所述棱镜(2)被构造成使得耦入到所述棱镜(2)中的第一射束半部(12)在所述棱镜(2)的出射侧(24)又从所述棱镜(2)耦出，其中，所述第一射束半部(12)以布鲁斯特角从所述棱镜(2)耦出，其中，所述薄层偏振器(4)被布置成使得该薄层偏振器被从所述棱镜(2)耦出的第一射束半部(12)穿过，

其中，所述偏振旋转器(3)被布置成使得该偏振旋转器被所述第二射束半部(14)穿过并且使所述第二射束半部(14)的偏振旋转；并且

其中，所述第二射束半部(14)被引导成使得该第二射束半部被所述薄层偏振器(4)反射并且所述薄层偏振器(4)使所述第一射束半部(12)和所述第二射束半部(14)叠合。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一出射侧(24)相对于耦入到所述棱镜(2)中的、射至所述第一出射侧(24)的第一射束半部(12)成布鲁斯特角(B')；

其中，所述薄层偏振器(4)被布置成使得该薄层偏振器被从所述棱镜(2)耦出的第一射束半部(12)以布鲁斯特角(B)穿过。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，入射的激光射束(1)以p偏振被提供。

4.根据权利要求1至3之一所述的设备(100)，其特征在于，所述偏振旋转器(3)安装在所述棱镜(2)上，和/或所述偏振旋转器(3)是λ/2板。

5.根据前述权利要求之一所述的设备(100)，其特征在于，所述偏振旋转器(3)被构造成使得所述第二射束半部(14)的偏振旋转90°，优选地旋转成s偏振。

6.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述棱镜(2)被构造成使得所述射束半部中的至少一个射束半部(14)在所述棱镜(2)中被全反射。

7.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，设置有至少一个反射镜(5)，所述反射镜将所述第二射束半部(14)在穿过所述偏振旋转器(3)之后反射至所述薄层偏振器(4)。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，一个或多个反射镜(5)和所述棱镜(2)被预装配在共用的基板上。

9.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述棱镜(2)被布置且构造成使得所述第二射束半部(14)在第二入射侧(22)耦入到所述棱镜(2)中，其中，所述第二入射侧(22)以布鲁斯特角(B)相对于入射的激光射束(1)布置。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述棱镜(2)被构造成使得所述第二射束半部(14)在第二出射侧(26)从所述棱镜(2)耦出，其中，所述第二出射侧(26)被布置成使得所述第二射束半部(14)以布鲁斯特角射至所述第二出射侧(26)。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述偏振旋转器(3)被布置成使得从所述棱镜(2)耦出的第二射束半部(14)穿过所述偏振旋转器(3)。

12.根据权利要求1至8之一所述的设备，其特征在于，所述第二射束半部(14)没有射入所述棱镜(2)中。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，薄层偏振器(4)在所述棱镜(2)的第一出射侧(24)通过适合的光学涂层来实现。

14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述棱镜(2)是道威棱镜。

15.一种用于借助于设备(100)对激光射束(1)进行射束成形的方法，其中，所述设备(100)包括棱镜(2)、偏振旋转器(3)和薄层偏振器(4)，其特征在于，

入射的激光射束(10)通过射至所述棱镜(2)被分成第一射束半部(12)和第二射束半部(14)；

所述第一射束半部(14)以布鲁斯特角射至所述棱镜(2)的第一入射侧(20)、射入所述棱镜(2)、穿过所述棱镜(2)、以布鲁斯特角从所述棱镜(2)射出；所述第一射束半部(12)在穿过所述棱镜(2)之后具有相对于入射的激光射束(10)的平行偏移；

所述第一射束半部(12)在从所述棱镜(2)射出之后穿过薄层偏振器(4)；

所述第二射束半部(14)利用所述偏振旋转器(3)在偏振方面旋转；

所述第二射束半部(14)通过折射和/或反射朝向所述薄层偏振器(4)的方向偏转；

所述第二射束半部(14)被所述薄层偏振器(4)反射；以及

所述第一射束半部(12)和所述第二射束半部(14)在射束方向上在所述薄层偏振器(4)之后全等地叠合。