CN1332262C - 波长转换方法、波长转换激光器以及激光束机械加工设备 - Google Patents

波长转换方法、波长转换激光器以及激光束机械加工设备 Download PDF

Info

Publication number
CN1332262C
CN1332262C CNB2004100476048A CN200410047604A CN1332262C CN 1332262 C CN1332262 C CN 1332262C CN B2004100476048 A CNB2004100476048 A CN B2004100476048A CN 200410047604 A CN200410047604 A CN 200410047604A CN 1332262 C CN1332262 C CN 1332262C
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser beam
wavelength
changed
wavelength conversion
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004100476048A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1619404A (zh
Inventor
小岛哲夫
今野进
西前顺一
由良信介
森川和敏
园淳弘
佐藤行雄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2004025741A external-priority patent/JP4265424B2/ja
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of CN1619404A publication Critical patent/CN1619404A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1332262C publication Critical patent/CN1332262C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

为了使用用于进行波长转换的非线性光学晶体、通过使基本激光束沿一个方向传播来对基本激光束进行波长转换，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过串联的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。提供了用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴相差45度到90度。

Description

波长转换方法、波长转换激光器 以及激光束机械加工设备
技术领域
本发明涉及通过使用非线性光学晶体的激光束到波长的转换，具体来说，涉及通过向工件发出波长已经转换的激光束来对工件进行机械加工的技术。
背景技术
在JP-A-5-142607(pp.3到4，以及图1)公开的波长转换激光器中，当两个非线性光学晶体彼此串联在一起时，非线性光学晶体在激光束通过晶体的方向上的长度相同。其中一个非线性光学晶体在晶体方向轴方面与入射激光束对齐，以便进行相位匹配。在穿过第一个非线性光学晶体之后，入射激光束进入第二个非线性光学晶体。这里，第二个非线性光学晶体位于这样的位置：其中，用于相位匹配的第二个晶体的晶体方向轴偏离第一个晶体的晶体方向轴，偏离的角度小于相位匹配角度的半高宽(full width half maximum)。非线性光学晶体的晶体轴(晶体方向轴)的偏离角小至几个微弧度到数十个微弧度(参见JP-A-5-142607)。具体来说，两个非线性光学晶体(它们在相对于激光束穿过晶体的方向的长度相同)是这样设置的，以便非线性光学晶体的晶体方向轴在从激光束的光轴的方向观察时朝向基本上相同的方向。
在JP-A-6-110098(pp.3到4，以及图2)的波长转换激光器中，作为非线性光学晶体的KN晶体的每一个厚度为0.5mm。当两个KN晶体这样摆放使得各晶体的交角彼此不同时，晶体的结晶轴(晶体方向轴)的方向设置成补偿偏离角度(walking angle)(参见JP-A-6-110098)。具体来说，两个非线性光学晶体(它们在相对于激光束穿过晶体的方向上的长度相同)是这样摆放的，以便相应的非线性光学晶体的晶体方向轴在从光轴的方向观察时基本上围绕激光束的光轴旋转180度。
JP-A-4-330425公开的波长转换激光器(pg.3，以及图1)使用了两个由非线性光学晶体材料制成的相同的晶体。当各晶体的长度彼此相同时，各晶体这样摆放，以便晶体的相互等效的光轴彼此偏离90度(参见JP-A-4-330425)。
在JP-A-5-142607和JP-A-6-110098公开的波长转换激光束中，两个非线性光学晶体(它们在相对于激光束穿过晶体的方向上的长度相同)是这样摆放的，以便相应的非线性光学晶体的晶体方向轴在从激光束的光轴的方向观察时朝向基本上相同的方向。或者，这两个非线性光学晶体这样摆放，以便相应的非线性光学晶体的晶体方向轴围绕光轴旋转大约180度。因此，从两个非线性光学晶体发出的波长已经转换的激光束的偏振方向在相同的方向对齐；即，激光束作为线性偏振的波长已经转换的激光束输出。因此，从两个非线性光学晶体发出的波长已经转换的激光束导致干涉。现在，在两个非线性光学晶体之间存在的气体(如空气)的折射率，或者在两个非线性光学晶体的末端提供的抗反射涂层(AR涂层)的折射率对波长色散敏感。在从非线性光学晶体发出的波长已经转换的激光束之间发生干涉的条件随着两个非线性光学晶体之间的距离的不同而变化。如果两个非线性光学晶体相互之间不能间隔一定的距离，则产生高输出波长已经转换的激光束是不可能的。由于两个非线性光学晶体之间存在的空气的折射率或者抗反射涂层的折射率随着温度而变化，因此，发生干涉的条件随着随着温度而变化，因此，会产生生成的波长已经转换的激光束变得非常不稳定的问题。
根据JP-A-4-330425的波长转换激光器具有在用于产生基本激光束的共振器内执行波长转换的配置。激光束在共振器内来回传播时进入非线性光学晶体。为了消除每次激光束穿过非线性光学晶体时发出的基本激光束之间的偏移，需要使两个非线性光学晶体在相对于激光束通过的方向上的长度严格相同。因此，当更换非线性光学晶体时，需要准备和更换在长度上与原始的非线性光学晶体严格相同的非线性光学晶体，或者准备和更换在长度上严格相同的两个非线性光学晶体。这就使得维护成本增大，更换和调整非线性光学晶体所花的时间延长。
在现有的激光束机械加工方法中，例如，一种通过向激光束暴露非晶态硅来提高薄膜的质量的方法，在非晶态硅上辐射双波形Q-开关YAG激光(参见JP-A-63-314862，pg.2，图1、3)。
在另一个现有的激光束机械加工方法中，例如，一种通过向激光束暴露非晶态硅来结晶非晶态硅的方法，当修改YAG激光的基波、二次谐波、三次谐波或四次谐波时辐射激光束，以便暴露表面的外形在曝光过程中变为线性(参见，JP-A-2001-144027，pp.4到5，图2)。
根据相关技术的激光机械加工方法，当使用从配备有波长转换器的波长转换激光器发出的波长已经转换的激光束进行暴光时，从波长转换激光器(即，波长转换器)发出的波长已经转换的激光通常是线性偏振的，这就产生了这样的问题：取决于机械加工方向和偏振方向机械加工结果会产生偏差。具体来说，在通过于非晶态硅上辐射激光束并对如此暴光的硅进行退火处理以获得多晶硅的机械加工中，当诸如薄膜晶体管之类的器件通过使用衬底(该衬底已经通过常规的激光束机械加工方法被转换成多晶硅)来制造时，就会产生这样的问题：取决于激光束的扫描方向和偏振方向之间的关系在特征方面产生偏差。
发明内容
本发明就是为了解决相关技术的波长转换激光器的缺点而产生的，目的在于提供一种波长转换方法和波长转换激光器，通过轻易地防止在由两个非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间发生干涉(interference)，它们能够高效稳定地产生高输出波长已经转换的激光束，而不必严格地控制两个非线性光学晶体在激光束穿过光学晶体的方向上的长度。
本发明就是为了解决相关技术的设备的缺点而产生的，目的在于提供一种波长转换方法和波长转换设备，它们能够高效稳定地产生高输出波长已经转换的激光束，并且轻易地防止在由两个非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间发生干涉，而不必严格地控制两个非线性光学晶体在激光束穿过光学晶体的方向上的长度。
本发明目的在于提供一种激光束机械加工设备，该设备能够在长时间内精确地执行均匀的机械加工。
本发明的波长转换方法是这样的一种方法：通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该方法包括：使随机偏振的基本激光束按顺序穿过串联的用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
根据本发明的波长转换激光器是这样的一种器件，其通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该激光器包括：用于产生随机偏振的基本激光束的基本激光源；以及两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，晶体的晶体方向轴相差45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过该两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
根据本发明的波长转换激光器是这样的一种器件，其通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该激光器包括：用于产生随机偏振的基本激光束的基本激光源；两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，晶体的晶体方向轴沿相同方向或在大约180度的相反方向对齐；以及位于两个非线性光学晶体之间的偏振方向旋转装置，该装置将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
本发明的波长转换设备用于在用来产生基本激光束的共振器外面执行波长转换，该设备包括：
两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，晶体的晶体方向轴相差45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
波长转换设备，该设备用于在用于产生基本激光束的共振器外面执行波长转换，该设备包括：两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，两个非线性光学晶体的晶体方向轴沿单个方向或大约180度的相反方向对齐；还包括偏振方向旋转装置，该装置位于两个非线性光学晶体之间并将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
根据本发明的激光束机械加工设备用于将工件暴露于已经被上文描述的波长转换激光器进行波长转换的激光束。
根据本发明，提供了这样一种方法：通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该方法包括：使随机偏振的基本激光束按顺序穿过串联的用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在已由非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束穿过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
此外，本发明提供了这样一种器件，其通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该激光器包括：用于产生随机偏振的基本激光束的基本激光源；以及两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，晶体的晶体方向轴相差45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在已由非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束穿过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
本发明还提供了这样的一种器件，其通过使基本激光束沿一个方向传播，使用用于进行波长转换的非线性光学晶体对基本激光束进行波长转换，该激光器包括：用于产生随机偏振的基本激光束的基本激光源；两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，晶体的晶体方向轴沿相同方向或沿大约180度的相反方向对齐；以及位于两个非线性光学晶体之间的偏振方向旋转装置，该装置将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在已由非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束穿过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
本发明还能使工件暴露于已经被上文描述的波长转换激光器进行波长转换的激光束。这产生了一个优点：能够稳定、准确、高效地执行同质而均匀的机械加工。
附图说明
图1是一个描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图2A是一个描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的俯视图；
图2B是一个描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的侧视图；
图2C是一个描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的透视图；
图3是一个描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图4是一个描述根据本发明的第二个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图5是一个描述根据本发明的第二个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图6是一个描述根据本发明的第三个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图7是一个描述根据本发明的第四个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图8是一个描述根据本发明的第五个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图9是一个描述根据本发明的第六个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图10A是一个描述根据本发明的第六个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的俯视图；
图10B是一个描述根据本发明的第六个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的侧视图；
图10C是一个描述根据本发明的第六个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的透视图；
图11是一个描述根据本发明的第七个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图12是一个描述根据本发明的第七个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图13是一个描述根据本发明的第八个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图14是一个描述根据本发明的第八个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
图15是一个描述根据本发明的第九个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；以及
图16是一个描述根据本发明的第十个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；
具体实施方式
第一个实施例
图1到图3是描述根据本发明的第一个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图。图1是显示激光束机械加工设备的侧视图。图2A是激光束机械加工设备的放大的俯视图；图2B是激光束机械加工设备的放大的侧视图，而图2C是激光束机械加工设备的放大的透视图。图3是显示用于进行波长转换的非线性光学晶体的透视图，它们是用于进行比较测试的激光束机械加工设备的主截面。
在图1中，激光束机械加工设备包括波长转换器和激光辐射器件。波长转换器包括基本激光源(下文简称为“激光源”)2，用于产生随机偏振的基本激光束3；以及串联的用于进行波长转换的两个非线性光学晶体(下文简称为“波长转换晶体”)1A和1B。基本激光束3以这样的方式接受波长转换：穿过两个非线性光学晶体1A和1B，以便偏振方向彼此相差90度。激光辐射器件将已经由波长转换器进行波长转换的激光束3C辐射到工件17上。
波长转换器配备有波长转换晶体1A和1B，以及分离镜(separation mirror)6，该分离镜反射基本激光束3，并允许透射波长已经转换的激光束3C。波长转换器1A、1B设置在相应的温度调节器4A、4B上，以便相对于激光源2的光轴而串联。分离镜6位于镜架7上。
激光源2和波长转换器构成了波长转换激光器，激光源2、温度调节器4A、4B，以及镜架7位于一个共用基座5上。
激光辐射器件具有一个反射镜12、聚光光学系统14以及工作台18。由反射镜夹持工具13夹持的反射镜12和由光学系统夹持工具15夹持的聚光光学系统14由一个固定夹具16夹持，而固定夹具16固定于工作台18上。诸如硅、金属板、陶瓷、印刷电路板以及印刷电路基板之类的工件17固定于工作台18上。
激光源2将Nd(钕):YAG作为工作介质，并产生波长为1064nm的随机偏振的基本激光束3。这里使用的术语“随机偏振的”表示这样的偏振状态：偏振方向不是单一的，和线性偏振光的情况相反，并包括含有许多偏振方向分量的偏振状态或非偏振状态。
波长转换晶体1A以及1B由非线性光学晶体(例如，硼酸锂(化学分子式：LiB3O5，简化为LBO)构成。
首先将参考图1描述波长转换激光器(即，波长转换器)的操作。从激光源2发出的并充当用于进行波形转换的基本波形的基本激光束3进入位于前级的波长转换晶体1A，激光束3的一部分通过波长转换被转换为谐波，如此产生一个基波/谐波混合的激光束3A。该基波/谐波混合的激光束3A再次进入位于后级的波长转换晶体1B，激光束3A的基本波形分量的一部分通过波长转换被转换为谐波，如此产生一个基波/谐波混合的激光束3B。该基波/谐波混合的激光束3B进入分离镜6，激光束3B的基本波形分量被反射以进入未显示的阻尼器或类似的元件。只有激光束3B的谐波分量通过分离镜6，如此通过的谐波分量在波长转换激光器(波长转换器)的外面被提取作为波长已经转换的激光束3C。
如上所述，本实施例的波长转换激光器使基本激光束沿一个方向传播，其中，激光束被用于进行波长转换的非线性光学晶体(即，波长转换晶体1A、1B)进行了波长转换。
下面将参考图2A到2C，详细描述设置波长转换晶体1A、1B的方法。这里，描述了这样一种情况：使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2，该激光器以随机偏振状态发出波长为1064nm的基本激光束3；使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5，简化为LBO)晶体作为波长转换晶体1A、1B，这种晶体通过第二类型的相位匹配将基本激光束3的一部分转换为532nm的二次谐波。
在此情况下，使基本激光束3沿相对于平面9A和9B内的晶体方向轴“c”大约20.5度的方向传播，两个平面垂直于硼酸锂晶体的晶体方向轴“a”，并由晶体方向轴“b”和“c”构成；从而满足第二类型的相位匹配的条件；即，基波和二次谐波。结果，随机偏振的基本激光束3的一部分接受波长转换，从而沿晶体方向轴“a”的方向产生线性偏振的二次谐波。
在本实施例中，波长转换晶体1A(它位于前级，基本波形激光束首先穿过它)和波长转换晶体1B(它位于后级，基本波形激光束随后穿过它)沿相对于激光束穿过波长转换晶体的方向的长度不同；即，位于后级的波长转换晶体1B比位于前级的波长转换晶体1A长。
此外，波长转换晶体1A位置是这样的：其晶体方向轴“a”朝向水平方向(即，垂直于图1的页面的方向)，波长转换晶体1B的位置是这样的：其晶体方向轴“a”朝向垂直方向(即，平行于图1的页面的方向)。如上所述，当两个波长转换晶体1A、1B彼此串联在一起时，波长转换晶体1B的晶体方向轴相对于另一个波长转换晶体1A围绕激光束3的光轴旋转90度(具体来说，当沿激光束的光轴方向观察时，各晶体方向轴彼此相差90度)。结果，从波长转换晶体1A发出的二次谐波的偏振方向与由波长转换晶体1B产生的二次谐波的偏振方向相差90度。因此，产生了一个波长已经转换的激光束3C，其偏振方向相差大约90度。
接下来，将描述激光束机械加工操作。从波长转换激光器(即，波长转换器)发出的波长已经转换的激光束3C被反射镜12反射，并由聚光光学系统15聚集和辐射在工件17上，如此通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等对工件17进行机械加工。
如上所述，在第一个实施例中，从波长转换晶体1A发出的二次谐波(波长已经转换的激光束)的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的二次谐波(即，波长已经转换的激光束)的偏振方向彼此相差90度。不管在两个波长转换晶体1A、1B之间是否存在抗反射涂层或间隔，在二次谐波之间都不会产生干涉。因此，产生了一个优点：能够高效而稳定地并且通过简便手段产生高输出波长已经转换的激光束。
上文描述的波长转换使用了激光源来发出随机偏振的基本激光束。因此，甚至在基本激光束的相位被位于前级的波长转换晶体1A移位的情况下，由位于后级的波长转换晶体1B执行的波长转换也不会受到影响。波长转换是在用于产生基本激光束的共振器的外面执行的，因此，由两个波长转换晶体1A、1B所引起的基本激光束的相位偏移不会影响基波激光束的振动。从而以简单的方式防止已经由波长转换晶体1A、1B进行了波长转换的激光束之间的干涉，而不必对两个波长转换晶体1A、1B(即，非线性光学晶体)沿激光束穿过晶体的方向的长度进行严格的调整，从而能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。由于不必对两个波长转换晶体1A、1B沿激光束穿过晶体的方向的长度进行严格的调整，因此没有必要在替换波长转换晶体1A、1B时准备长度与原始晶体严格相同的晶体，从而产生了一个优点：能够降低维护成本。此外，由于不必准备长度相同的两个波长转换晶体1A、1B，因此，可以降低维护成本，并能够缩短替换或调整晶体所需要的时间。
进入波长转换晶体1B的基波/谐波混合的激光束3A的基波分量的功率小于进入波长转换晶体1A的基波激光束3的功率。然而，在第一个实施例中，在相对于激光束穿过晶体的方向上，位于后级的波长转换晶体1B比位于前级的波长转换晶体1A长。因此，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的二次谐波的功率接近于从位于后级的波长转换晶体1B发出的二次谐波的功率。因此，如下文进一步详细描述的，当使用从第一个实施例的波长转换激光器发出的波长已经转换的激光束3C作为机械加工光源时，具有这样的优点：能够消除机械加工对偏振方向的依赖性。
即，在第一个实施例中，激光束机械加工设备按照前面所述的方法进行配置。从波长转换激光器(即，波长转换器)发出的波长已经转换激光束3C包括水平方向(即，垂直于图1的页面的方向)的偏振分量和垂直方向(即，平行于图1的页面的方向)的偏振分量。该波长已经转换的激光束的偏振状态接近于随机偏振光的状态。因此，产生了这样的优点：能够稳定地执行均匀的[即，不管偏振方向或机械加工点(位置)如何都相同]机械加工，而不依赖于偏振方向。此外，波长转换激光器(波长转换器)可以高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束3C，因此，产生了一个优点：能够在长时间内稳定地执行准确而均匀的机械加工(即，对于每一次操作是相同的)。
下面将通过提供特定的测试示例(即，示例1和比较示例1)描述本实施例的优点。
示例1
使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2，该激光器执行Q-开关脉冲振动，并产生波长为1064nm的基本激光束。激光束3的技术指标包括平均功率529W，脉冲周期频率4kHz、脉冲宽度40.4ns，射束质量M2.10。
使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5)作为波长转换晶体1A、1B，其中，硼酸锂通过第二类型的相位匹配产生二次谐波，其中，晶体沿相对于激光束穿过各晶体的方向的长度为15mm和18mm。各晶体位于基本激光束3的1/e2半径处；即，在0.54mm和0.52mm处。
当波长转换晶体1A的晶体方向轴“a”水平地摆放而波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”垂直地摆放时，如图2所示，二次谐波波长已经转换的激光束3C产生186W的输出。二次谐波波长已经转换的激光束接受偏振分离，并测量每一个所产生的偏振分量的功率。来自波长转换晶体1A的偏振分量的功率是95W，来自波长转换晶体2A的偏振分量的功率是91W。如此，两个偏振分量基本上具有相同的功率。波长已经转换的激光束3C处于接近于各向同性的偏振状态。二次谐波波长已经转换的激光束3C的平均输出的波动大约为1％，且非常稳定。该波长已经转换的激光束3C辐射在非晶态硅上，如此将非晶态硅转换为多晶硅。器件的特性不取决于偏振方向。
比较实例1
比较示例与示例1的区别只在于波长转换晶体1A、1B的方向不同；即，如图3所示，波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便各晶体方向轴“a”水平地摆放。在此情况下，二次谐波波长已经转换的激光束3C的平均输出是138W，大约比前一示例中获得的值低23％。此外，二次谐波波长已经转换的激光束3C的平均输出的波动大约为10％，非常不稳定。此外，由于两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴的方向对齐，因此，波长已经转换的激光束3C是线性偏振的。该波长已经转换的激光束3C辐射在非晶态硅上，如此将非晶态硅转换成为多晶硅。各器件的特性之间存在偏差，并且取决于扫描方向和偏振方向。
测试结果显示，当产生功率为100W或更高的高输出波长已经转换的激光束3C时，由于使用了波长转换激光器和波长转换方法两者都在第一个实施例中显示出来，可以高效稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
在该示例中，使用长度为15mm的非线性光学晶体作为波长转换晶体1A，使用长度为18mm的非线性光学晶体作为波长转换晶体1B。然而，晶体的长度不仅限于这些长度。例如，可以使用长度非常类似的非线性光学晶体，如长度为18.00mm的非线性光学晶体和长度为18.01mm的非线性光学晶体，在这样的情况下，会产生类似的优点。
第一个示例描述了这样的情况：波长转换晶体1A的晶体方向轴“a”水平地摆放，波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”垂直地摆放。相反，波长转换晶体1A的晶体方向轴“a ”可以垂直地摆放，而波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”可以水平地摆放。简而言之，唯一的要求是这样摆放晶体，以便从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向彼此相差90度。只要满足此要求，就会产生类似于结合第一个实施例所描述的优点。
在第一个实施例中，两个波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便当在激光束的光轴的方向观察时，晶体方向轴彼此相差90度。可以采用任何角度，只要从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束之间的干涉的影响变小即可。因此，偏振方向不需要正好彼此相差90度。唯一的要求是，两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴和波长已经转换的激光束3A的偏振方向彼此之间的差位于45到90度范围。理想的情况是，差值大约为90度。[例如，在85度到90范围内(由于干涉的影响导致的输出下降变为10％或更小)，优选情况下，位于88到90的范围内(由于干涉的影响导致的输出的下降变为5％或更小)]。
在本发明中，当在两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴之间定义的角度中的较小的角度为45度时，两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴彼此相差45度。当已经被两个波长转换晶体1A、1B进行了波长转换的激光束的偏振方向之间定义的角度中的较小的角度是45度时，偏振方向彼此相差45度。
第二个实施例
图4和5是描述根据第二个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图。具体来说，图4是激光束机械加工设备的侧视图，图5是放大显示波长转换晶体和波长盘(两者都在图4中显示)的透视图。
在该实施例中，两个波长转换晶体1A、1B彼此串联在一起，以便当在激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴“a”在单个方向对齐。波长盘10位于两个非线性光学晶体1A和1B之间，作为偏振方向旋转装置，用于将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转90度。在其它方面，本实施例和第一个实施例一样，因此，下列说明主要论述第一和第二个实施例之间的区别。
在图4所示的波长转换激光器中，用于将基波/谐波混合的激光束3A的谐波分量的偏振方向围绕光轴旋转90度的波长盘(wavelength plate)10，由支持架11夹持。在插入在波长转换晶体1A和1B之间的底座5上提供了支持架11。波长盘10例如由半波长盘构成，波长盘10的晶体方向轴相对于波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴“a”围绕激光束3的光轴旋转45度。
图5显示了这样的情况：使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2，该激光器通过随机偏振产生波长为1064nm的基本激光束3；使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5，简化为LBO)作为波长转换晶体1A、1B，这种晶体通过第二类型的相位匹配将基本激光束3的一部分转换为波长为532nm的二次谐波。波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便各晶体方向轴“a”水平地摆放(即，方向垂直于图4的页面)。
在具有前述结构的波长转换激光器中，基波/谐波混合的激光束3A进入波长转换晶体1B，而激光束3A的谐波分量的偏振方向由半波长盘10围绕光轴旋转90度。因此，从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的二次谐波的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的二次谐波的偏振方向彼此相差90度。具体来说，作为波长已经转换的激光束3C产生激光束，其偏振方向彼此相差大约90度。
因此，第二个实施例也会产生与第一个实施例产生的优点相同的优点。
与第一个实施例的情况相同，本实施例的波长转换激光器还使基本激光束沿一个方向传播，并使激光束由用于进行波长转换的非线性光学晶体(即，波长转换晶体1A、1B)进行波长转换。
第二个实施例显示了这样的波长转换激光器的配置：这种激光器采用半波长盘10作为偏振方向旋转装置，该装置将波长已经转换的激光束旋转大约90。然而，可以使用光学旋转盘或电光元件代替半波长盘10，在这样的情况下，可以产生类似的优点。
第二个实施例显示了这样的配置：当从激光束的光轴的方向观察时，两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴沿单个方向对齐。然而，两个波长转换晶体可以按相反的方向摆放；即，相差180度，在这样的情况下，也会产生类似于由第二个实施例产生的优点的优点。
在波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴之间形成的角度可以为任意大小，只要在从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束之间的干涉的影响在该角度下变得较小即可。各波长转换晶体的晶体方向轴不必沿一个方向准确地对齐或精确地成180度的相反方向。各晶体方向轴可以基本上沿一个方向对齐或基本上成大约180度的相反方向。例如，与单个方向或与180度的相反方向存在5度或更小的偏移，理想的情况下，存在2度或更小的偏移都是允许的。
相同的道理也适用于偏振方向旋转装置。偏振方向旋转装置不必准确地旋转90度，旋转装置在45度到90范围内的旋转都是理想的。理想情况下，大约90度的差值(例如，差值在85度到90度的范围内，优选情况下，在88度到90度的范围内)就足够了。
简而言之，与第一个实施例的情况相同，唯一的要求是，从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的偏振方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向的差值应该在45度到90度的范围内。理想情况下，大约90度的差值(例如，差值在85度到90度的范围内，优选情况下，在88度到90度的范围内)就足够了。
第三个实施例
图6是描述根据本发明的第三个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图。具体来说，图6是激光束机械加工设备的侧视图。
在本实施例中，该设备具有一个四分之一波长盘19充当圆偏振装置，用于将波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。在其它方面，本实施例的配置和第一个实施例一样，因此，下面给出的说明主要论述本实施例和第一个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19固定于支持架20上，该支持架位于底座5A之上，底座5A进一步固定在底座5上。在图6中，底座5A被配置为与底座5分离，但它们也可以配置为集成在一起。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，已经穿过分离镜6的波长已经转换的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光，如此产生圆偏振的波长已经转换的激光束3D。具体来说，例如，在来自从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19作为顺时针方向圆偏振光的情况下，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19变为逆时针方向圆偏振光。如此，产生了一个波长已经转换的激光束3D，其中包括一个混合物，该混合物包括逆时针方向圆偏振光和顺时针方向圆偏振光。该圆偏振的波长已经转换的激光束3D从反射镜12反射，如此反射的光被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而使工件接受退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等处理。
如上所述，在第三个实施例中，激光束机械加工设备具有四分之一波长盘19充当圆偏振装置，用于将波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。因此，除第一个实施例的优点之外，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行比较同质的机械加工，而不取决于偏振方向。
图6显示了四分之一波长盘19被插入到第一个实施例的波长转换激光器(波长转换器)的情况。然而，四分之一波长盘19可以插入到第二个实施例的波长转换激光器(波长转换器)中。
用于将波长已经转换的激光束转换为圆偏振光的圆偏振装置不仅限于四分之一波长盘19，而且也可以是电光元件。
第四个实施例
图7是一个描述根据本发明的第四个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；具体来说，图7是激光束机械加工设备的俯视图。
除具有结合第一个实施例所描述的波长转换激光器(即，激光束机械加工设备)的各元件之外，本实施例的激光束机械加工设备主要具有下列元件：
首先，该激光束机械加工设备配备有反射镜21、21A充当反射器件，用于允许波长转换激光束3D的一部分通过。
此外，该激光束机械加工设备配备有功率监视器22，用于监视功率，射束剖面仪(beam profile)23，用于监视射束剖面。这里，功率监视器22充当射束监视器，该监视器用于监视已经穿过反射镜21、21A的波长转换激光束3E、3F的射束参数[功率、射束剖面(射束大小)、射束质量、以及发散角]。
该激光束机械加工设备还配备有四分之一波长盘19充当偏振状态转换装置。该偏振状态转换装置位于反射器件(反射镜21、21A)之前的一级，并转换波长转换激光束3C的偏振状态，以便相对于反射器件的反射面，从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等。具体来说，偏振状态转换装置执行转换操作，以便从非线性光学晶体1A(基本激光束首先通过该非线性光学晶体1A)发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率(相对于反射器件的反射面)，基本上等于从非线性光学晶体1B(基本激光束随后通过该非线性光学晶体1B)发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率(相对于反射器件的反射面)。四分之一波长盘19也可以充当圆偏振装置，用于将结合第三个实施例描述的波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。
在其它方面，该激光束机械加工设备在配置方面与第一个实施例的激光束机械加工设备相同，因此，现在主要讲述第一个和第四个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19由支持架20支撑，支持架20位于底座5上。反射镜21、21A由镜架7A、7B夹持，镜架7A、7B位于底座5上的四分之一波长盘19后面。功率监视器22由支持架20A夹持，支持架20A位于底座5上反射镜21的背后。射束剖面仪23由支持架20B夹持，支持架20B位于底座5上反射镜21A的背后。
激光辐射器件具有反射镜12、聚光光学系统14以及工作台18A。由镜架13A夹持的反射镜12、由光学系统支持架15A夹持的聚光光学系统14，以及工作台18A固定于底座5B上。工作台18A夹持工件17，如硅、金属板、陶瓷、印刷电路板或印刷电路基板。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，已经穿过分离镜6的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光(即，圆偏振的)，从而激光束3C的偏振状态被转换，如此产生波长已经转换的激光束3D。激光束3D在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间相对于反射器件(即，反射镜21、21A)的反射面的比率方面基本上和从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束一样。具体来说，例如，当从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19转换为顺时针方向圆偏振光，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19转换为逆时针方向圆偏振光，因此，波长已经转换的激光束3D混合地包括顺时针方向圆偏振光和逆时针方向圆偏振光。
圆偏振的波长已经转换的激光束3D被反射镜21、21A和12反射，并被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等工艺对工件17进行机械加工。
圆偏振的波长已经转换的激光束3D的一部分通过反射镜21。已经通过反射镜21的波长已经转换的激光束3E进入功率监视器22，在此，测量激光束3E的功率。此外，圆偏振的波长已经转换的激光束3D的一部分通过反射镜21A。已经通过反射镜21A的波长已经转换的激光束3F进入射束剖面仪23，在此，测量射束的剖面。
如前所述，在本实施例中，本实施例的激光束机械加工设备具有四分之一波长盘19作为同时充当圆偏振装置和偏振状态转换装置的装置，波长已经转换的激光束3C被转换为圆偏振光。因此，与第三个实施例的情况相同，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行比较均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
此外，该激光束机械加工设备配备有功率监视器22，该监视器充当用于监视波长已经转换的激光束3D的功率的装置，如此监视对应于圆偏振的、波长已经转换的激光束3D(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))一部分的波长已经转换的激光束3E的功率。由于已经预先掌握波长已经转换的激光束3E的功率和波长已经转换的激光束3D的功率之间的关系，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率的总和可以实质上准确地测量。具体来说，从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的功率可以实质上准确地测量。因此，可以确定是否可以在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。此外，要辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率可以实质上准确地测量。因此，产生了一个优点：能够确定是否可以在长时间内执行均匀、高精度的机械加工(即，相对于时间而言是恒定的)。
该激光束机械加工设备进一步配备有射束剖面仪23，该剖面仪充当用于监视波长已经转换的激光束3D的剖面的装置，如此监视波长已经转换的激光束3F(激光束3F是圆偏振的、波长已经转换的激光束3D的一部分)的剖面(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))。因此，可以实质上准确地测量从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的射束剖面和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的射束剖面的总和。具体来说，从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的射束剖面可以实质上准确地测量。因此，可以确定是否可以在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。此外，要辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的射束剖面可以实质上准确地测量。因此，产生了一个优点：能够确定是否可以在长时间内执行均匀、高精度的机械加工(即，相对于时间是恒定的)。
通过监视波长已经转换的激光束3D(该激光束是由于波长已经转换的激光束3C的偏振状态被转换(圆偏振)而形成的，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))的一部分的功率和射束剖面而获得的优点是唯一地通过混合地包括许多线性偏振光分量的本发明的波长转换激光器而获得的。此优点无法通过普通的线性偏振激光器或随机偏振激光器获得。下面将进一步对这一点进行详细描述。
一般而言，当使激光束以不是垂直的角度进入反射镜时，反射镜的反射率会产生偏差，具体情况取决于入射束的偏振方向，“s”偏振光的反射率高于“p”偏振光的反射率。具体来说，“s”偏振光的透射率低于“p”偏振光的透射率。
现在将描述充当比较示例的波长转换激光器。具体来说，该激光器没有四分之一波长盘19，并使没有被圆偏振的波长已经转换的激光束3C进入反射镜21，21A，并监视通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束3E、3F的功率和射束剖面。例如，当波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方向彼此相差90度)，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入反射镜21、21A，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入反射镜21、21A。“s”偏振光的透射率低于“p”偏振光的透射率。因此，与从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和射束剖面相比，可以更密切地监视从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和射束剖面。
具体来说，例如，当使波长已经转换的激光束3C以大约45度的角度进入反射镜21、21A时，“s”偏振光通过反射镜21、21A的透射率例如大约为0.1％，“p”偏振光通过反射镜21、21A的透射率例如为0.9％。从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.1％的分量与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.9％的分量之和进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量该总和的功率和射束剖面。
因此，如果只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率或射束剖面中产生变化，则在功率监视器22的读数以及射束剖面仪23的读数中的变化是小的。因此，会产生这样的问题：不能准确地监视辐射在工件17上的波长已经转换的激光束的功率或射束剖面的变化。
在本实施例中，使已经被四分之一波长盘19圆偏振的波长已经转换的激光束3D(即，波长已经转换的激光束3C的偏振状态被转换(圆偏振)，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))进入反射镜21、21A。因此，进入功率监视器22和射束剖面仪23并从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量以及进入功率监视器22和射束剖面仪23并从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量包括相对比例基本上相同的“s”偏振分量和“p ”偏振分量。基本上按该相同的相对比例监视从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率和射束剖面以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率和射束剖面。
具体来说，例如，“s”偏振光通过反射镜21、21A的透射率大约为0.1％，“p”偏振光通过反射镜21、21A的透射率大约为0.9％。“s”偏振光分量和“p”偏振光分量两者各占从波长转换晶体1A发出的圆偏振波长已经转换的激光束3D的分量的约50％。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.05％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.45％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过反射镜21、21A。同样，“s”偏振分量和“p”偏振分量两者各占从波长转换晶体1B发出的圆偏振波长已经转换的激光束3D的分量的约50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过反射镜21、21A。因此，在波长已经转换的激光束3D中，从波长转换晶体1A发出的分量和从波长转换晶体1B发出的分量以相同的比例进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量各分量的功率和射束剖面。
因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面，并确定是否可以在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面，并能够确定是否可以在长时间内执行均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
此外，甚至只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率或射束剖面中产生变化时，也可产生这样的优点：能够实质上准确地监视辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面的变化，并能够确定由于只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率或射束剖面中产生变化而导致的机械加工的变化。
在普通的线性偏振激光器中，进入反射镜21、21A的激光束的偏振方向只有“s”偏振或“p”偏振。因此，透射率保持不变，不管在进入反射镜21、21A之前激光束是否被圆偏振。因此，不产生由于监视圆偏振波长已经转换的激光束的功率和射束剖面而导致的新优点。
此外，在普通的随机偏振激光器中，进入反射镜21、21A的激光束的偏振方向包括相同比例的“s”偏振光和“p”偏振光。因此，透射率保持不变，不管在进入反射镜21、21A之前激光束是否被圆偏振。因此，不产生由于监视圆偏振波长已经转换的激光束的功率和射束剖面而导致的新优点。
通过参考特定的数值已描述了这样的情况：波长转换晶体1A、1B发出波长已经转换的激光束，这些激光束偏振方向彼此相差大约90度。相同的原理也可以适用于偏振方向彼此相差45到90度的情况以及偏振方向彼此相差90度的情况。例如，使波长已经转换的激光束3C通过四分之一波长盘19(也充当偏振状态转换装置)，并将其转换为椭圆偏振的波长转换激光束3D，其中，激光束3D以基本上相同的比例包括从非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量，其方式如下：来自波长转换晶体1A的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量，以便来自波长转换晶体1B的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量。在波长已经转换的激光束3D中，来自波长转换晶体1A的分量以及来自波长转换晶体1B的分量以该相同的比例进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量各分量的功率和射束剖面。
图7显示了这样的配置：从反射镜21、21A反射的波长已经转换的激光束用于机械加工，其中，监视已通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束的射束参数。也可以采用这样的配置：已通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束用于机械加工，其中，监视接受反射镜21、21A上的反射的波长已经转换的激光束的射束参数。
图7显示了第一个实施例的波长转换激光器具有四分之一波长盘19、反射镜21、21A，功率监视器22以及射束剖面仪23的情况。然而，甚至在第二个实施例的激光束机械加工设备配备有四分之一波长盘19、反射镜21、21A、功率监视器22，以及射束剖面仪23的情况下，也可以产生相同的优点。
除具有图7所示的配置之外，波长转换激光器配备有用于根据功率监视器22的读数控制激光源2的输出的装置，或根据功率监视器22的读数控制温度调节器4A、4B的温度的装置，从而执行反馈控制。结果，产生了这样的优点：能够在长时间内稳定地维持波长已经转换的激光束3D的功率。
可以根据由射束剖面仪23测量的射束剖面确定射束大小。因此，除具有图7所示的配置之外，该波长转换激光器配备有射束大小调整机构，其包括许多透镜的组合，从而产生这样的优点：能够将波长已经转换的激光束3D的射束大小调整到一个任意值并进行输出。
此外，反馈控制是通过提供用于根据由射束剖面仪23测量的射束大小来控制射束大小调整机构的装置来执行的，从而产生了这样的优点：能够在长时间内稳定地维持波长已经转换的激光束3D的射束大小。
第四个实施例描述了这样的情况：波长转换激光器配备有用于监视射束参数[即，功率、射束剖面(射束大小)、射束质量，以及发散角]中的功率和射束剖面的装置。该波长转换激光器可以配备有用于监视射束质量(诸如表明激光束或射束产品的聚光特征的M2值之类的指数)的装置。这产生了这样的优点：能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的质量，并能够确定是否可以在长时间内稳定地产生高质量的波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的质量，能够确定是否可以在长时间内稳定地执行高精度的均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
该波长转换激光器可以配备有用于监视发散角的装置；例如，许多射束剖面仪。这产生了这样的优点：能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的发散角，并能够确定是否可以在长时间内稳定地产生高质量的波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的发散角，并能够确定是否可以在长时间内稳定地执行高精度的均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
第五个实施例
图8是一个描述根据本发明的第五个实施例的波长转换方法、波长转换激光器，以及激光束机械加工设备的视图；具体来说，图8是该激光束机械加工设备的俯视图。
除具有结合第一个实施例所描述的波长转换激光器(即，激光束机械加工设备)的各元件之外，本实施例的激光束机械加工设备主要具有下列元件：
首先，该激光束机械加工设备配备有可变衰减器24，该可变衰减器具有可变透射率的反射镜25A、25B，充当用于调整波长转换激光束3D的功率的装置，并且其透射率是可变的。
此外，该激光束机械加工设备还配备有四分之一波长盘19，充当偏振状态转换装置。该偏振状态转换装置位于可变衰减器24之前的一级，并转换波长转换激光束3C的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射器件的反射面)。这里，四分之一波长盘19也可以充当圆偏振装置，用于将结合第三个实施例描述的波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。
在其它方面，第五个实施例和第一个实施例的配置一样，因此，下列说明主要论述第一和第五个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19由支持架20支撑，支持架20位于底座5上。可变衰减器24由支持架20C支撑，支持架20C位于底座5上。在可变衰减器24中提供了可变透射率的反射镜25A、25B，其透射率随着波长已经转换的激光束3C的入射角而变化，还提供了一个未显示的机构，其用于旋转可变透射率的反射镜25A、25B，由此改变波长已经转换的激光束3C进入的角度。
该激光辐射器件在配置方面与结合第四个实施例所描述的激光辐射器件相同。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，已经通过分离镜6的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光(即，圆偏振的)，从而激光束3C的偏振状态被转换，如此产生波长已经转换的激光束3D。激光束3D在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面的比率方面基本上与从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束一样。
圆偏振波长已经转换的激光束3D被转换为波长已经转换的激光束3G，其功率由可变衰减器24进行调整。然后，该波长已经转换的激光束被反射镜12反射，并被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等工艺对工件17进行机械加工。
如前所述，在本实施例中，本实施例的激光束机械加工设备具有四分之一波长盘19作为同时充当圆偏振装置和偏振状态转换装置的装置，波长已经转换的激光束3C被转换为圆偏振光。因此，与第三个实施例的情况相同，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行比较均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
此外，该激光束机械加工设备配备有可变衰减器24，该可变衰减器充当用于调整波长已经转换的激光束3D的功率的装置，并使圆偏振的、波长已经转换的激光束3D(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面))进入可变衰减器24。因此，可以按相同的比例调整从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率。由此，产生了这样的优点：能够在基本上不改变从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3C的射束剖面的情况下调整功率。由此，产生了这样的优点：能够在基本上不改变辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的情况下调整功率，以及这样的优点：能够通过只改变作为机械加工参数的功率来执行机械加工操作。
还产生了这样的优点：通过降低可变衰减器24的透射率，将射束剖面摆放在工作台18A的一个机械加工点上，以及测量机械加工点处的射束剖面，能够测量和在机械加工过程中获得的射束剖面基本上一样的射束剖面。
通过使波长已经转换的激光束3D进入可变衰减器24，以及通过改变波长已经转换的激光束3D进入可变透射率的反射镜25A、25B的角度来调整波长已经转换的激光束3G的功率而获得的优点是由混合地包括许多线性偏振光分量的本发明的波长转换激光器唯一地获得的，其中，波长已经转换的激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成(圆偏振)，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面)。此优点无法通过普通的线性偏振激光器或随机偏振激光器获得。下面将进一步对这一点进行详细描述。
现在作为一个比较示例描述这样的情况：激光器没有配备四分之一波长盘19，并使没有被圆偏振的波长已经转换的激光束3C进入可变衰减器24。例如，当波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方使彼此相差90度)，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入可变透射率的反射镜25A、25B，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入可变透射率的反射镜25A、25B。“s”偏振光的透射率低于“p”偏振光的透射率。结果，波长转换激光器输出波长已经转换的激光束，包括从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，该分量大于从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量，如此发出的波长已经转换的激光束辐射在工件17上。
“s”偏振光的透射率和“p”偏振光的透射率之间的比率随着可变衰减器24(即，可变透射率的反射镜25A、25B)的透射率而变化。
因此，只有波长已经转换的激光束的功率无法由可变衰减器24进行调整。例如，当通过缩小可变衰减器24的透射率而将射束剖面仪摆放在机械加工点时，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量(两个分量都是从波长转换激光器输出的)之间的比率，从机械加工的时间到测量射束剖面的时间之间这段时间内是变化的。
因此，可以测量将要在机械加工点获得的并且不同于在机械加工过程中所需要的射束剖面。
具体来说，例如，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％时执行机械加工的情况下，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率大约为65％。波长转换激光器输出波长已经转换的激光束，包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约35％的分量，以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约65％的分量；即，波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，其比例为1∶1.9。机械加工是通过使用波长已经转换的激光束执行的，该激光束包括来自波长转换晶体1A的分量和来自波长转换晶体1B的分量，这些分量的比例是不同的。
当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，例如通过将可变衰减器24的透射率缩小大约1％，并将射束剖面仪放在工作台18A上的机械加工点，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束，该激光束完全不同于在机械加工过程中发出的激光束；即，该波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.1％的分量，以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.9％的分量；具体来说，该波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，其比例为1∶9。结果，可以测量波长已经转换的激光束的射束剖面，该射束剖面在来自波长转换晶体1A的分量与来自波长转换晶体1B的分量的比例方面不同于当以前述的可变衰减器24的大约50％的平均透射率执行机械加工时获得的射束剖面。因此，射束剖面从机械加工的时间到测量射束剖面的时间之间这段时间是变化的，在机械加工过程中获得的射束剖面无法准确地确定，从而会产生这样的问题：不能准确地确定射束剖面对机械加工的影响。
然而，在本实施例中，使已经被四分之一波长盘19圆偏振的波长已经转换的激光束3D进入可变衰减器24(其中，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率的反射镜25A、25B的镜面)。从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的“s”偏振光分量和波长已经转换的激光束3D的“p”偏振光分量在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量(两者都进入可变透射率的反射镜25A、25B)之间的比率方面是相同的。工件17可以暴露于波长已经转换的激光束，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例基本上相同。
甚至在可变衰减器24的透射率已经变化的情况下，来自波长转换晶体1A的分量和来自波长转换晶体1B的分量的比例基本上相同，因此，在不改变射束剖面的情况下，仅通过可变衰减器24调整波长已经转换的激光束的功率。因此，例如，通过缩小可变衰减器24的透射率将射束剖面仪摆放在机械加工点，并测量将要在机械加工点获得的射束剖面，从而能使射束剖面的测量基本上和期间机械加工过程中将获得的射束剖面一样。
具体来说，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％时执行机械加工的情况下，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为65％。“s”偏振光分量的值大约为从波长转换晶体1A发出的波长已经转换激光束3D的分量的50％，“p”偏振分量的值大约也为50％。大约35％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约17.5％的分量)和大约65％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约32.5％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量穿过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。因此，机械加工是通过使用波长已经转换的激光束3G执行的，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。
例如，当通过将可变衰减器24的平均透射率降低到大约1％而将射束剖面仪放置于机械加工点时，以及当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。“s”偏振光分量的值大约为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的50％的分量，“p”偏振分量的值大约也为50％。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.05％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.45％的分量)之总和；即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。因此，可以通过使用波长已经转换的激光束3G测量要在机械加工点处获得的射束剖面，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。
在测量射束剖面时和在机械加工时存在基本上恒定的比例；具体来说，在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量之间的比例基本上是恒定的。要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
在普通的线性偏振激光器中，进入可变透射率的反射镜25A、25B的激光束的偏振方向只有“s”偏振或“p”偏振。因此，透射率保持不变，不管在进入可变透射率的反射镜25A、25B之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于使圆偏振波长已经转换的激光束进入可变透射率的反射镜25A、25B中而导致的新优点。
此外，在普通的随机偏振激光器中，进入可变透射率的反射镜25A、25B的激光束的偏振方向包括相同比例的“s”偏振光和“p”偏振光。因此，透射率保持不变，不管在进入可变透射率的反射镜25A、25B之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于使圆偏振波长已经转换的激光束进入可变透射率的反射镜25A、25B中而导致的新优点。
通过参考特定的数值描述了这样的情况：波长转换晶体1A、1B发出波长已经转换的激光束，这些激光束在偏振方向方面彼此相差大约90度。相同的原理也可以适用于偏振方向彼此相差45到90度的情况，以及偏振方向彼此相差90度的情况。例如，使波长已经转换的激光束3C通过四分之一波长盘19(也充当偏振状态转换装置)，并将其转换为椭圆偏振的波长转换激光束3D，其中，激光束3D以基本上相同的比例包括从非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量，其方式如下：来自波长转换晶体1A的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量，以便来自波长转换晶体1B的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量。在波长已经转换的激光束3D中，来自波长转换晶体1A的分量以及来自波长转换晶体1B的分量以相同的比例进入可变衰减器24中。如上所述，在测量射束剖面时和在机械加工时存在基本上恒定的比例；具体来说，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量之间的比例基本上是恒定的。要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
图8显示了波长转换激光器配备有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况。然而，与第四个实施例的情况相同，四分之一波长盘19、反射镜21、21A，以及用于监视射束参数的装置，如功率监视器22和射束剖面仪23，可以在可变衰减器24之后的阶段提供。在这样的情况下，产生了和在第四个实施例中产生的优点一样的优点，还产生了产生的优点：能够实质上准确地监视其功率已经调整的波长已经转换的激光束3G的功率和射束剖面。
图8显示了第一个实施例的波长转换激光器具有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况。然而，甚至在第二个实施例的激光束机械加工设备配备有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况下也可以产生相同优点。
虽然图8显示了波长转换激光器配备有可变衰减器24(其透射率是可变的)的情况，但是，波长转换激光器也可以配备有具有恒定透射率的衰减器。甚至在此情况下，也可以按基本上相同的比例调整从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率。因此，产生了这样的优点：能够在不涉及从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的任何实质性的改变的情况下通过具有恒定的透射率的衰减器来调整功率。因此，能够在不涉及辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的实质性改变的情况下根据衰减器的透射率来调整功率，从而产生了这样的优点：能够通过只改变作为机械加工参数的激光束的功率来执行机械加工操作。
在第四和第五个实施例中，诸如四分之一波长盘19之类的偏振状态转换装置，理想情况是转换波长已经转换的激光束的偏振状态以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面精确地相等(相对于反射器件的反射面，例如，可变透射率反射镜的镜面)。然而，产生相同优点的基本要求是，在从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值以及从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量比率值之间存在大约1∶4至4∶1的比例。
具体来说，在这样的情况下：从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量大约为20％，而其“p”偏振光分量大约为80％，从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量大约为50％，而其“p”偏振光分量大约为50％，在从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值以及从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量比率值之间存在1∶4的比例。在此情况下，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％时执行机械加工时，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为65％。“s”偏振光分量的值大约为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的分量的20％，“p”偏振分量的值大约为80％。因此，大约35％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约7％的分量)和大约65％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约52％的分量)之总和；即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约59％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。如前所述，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量通过可变衰减器24。
因此，波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.18∶1。因此，机械加工是通过使用波长已经转换的激光束3G执行的，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.18∶1。
例如，当通过将可变衰减器24的平均透射率降低到大约1％而将射束剖面仪放置于机械加工点时，以及当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。“s”偏振光分量的值为从波长转换晶体1A发出的波长已经转换激光束3D的大约20％的分量，“p”偏振分量的值大约为80％。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.02％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.72％的分量)之总和；即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.8％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.6∶1。因此，可以通过使用波长已经转换的激光束3G测量要在机械加工点处获得的射束剖面，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.6∶1。
相应地，在测量射束剖面时以及在机械加工过程中，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的值与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量的值相差大约36％。因此，要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
第四和第五个实施例描述了这样的情况：四分之一波长盘19被用作偏振状态转换装置，其用于转换波长已经转换的激光束的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面精确地相等(相对于反射器件(即，反射镜21、21A)的表面或可变透射率反射镜25A、25B的镜面)。例如，可以使用一个用于将波长已经转换的激光束转换为圆偏振光的电光元件作为偏振状态转换装置。此外，波长已经转换的激光束3C的偏振方向可以通过使用半波长盘、偏振旋转器或充当偏振状态转换装置的电光元件来进行旋转，以便从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量相对于每一个反射镜的反射面(即，镜面)的比率基本上等于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量相对于每一个反射镜的反射面(即，镜面)的比率。如此，产生了与第四和第五个实施例中产生的优点的相同优点。
在第四和第五个实施例中，采用了这样的配置：例如，波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方向彼此相差90度)；使从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入反射镜21、21A(或可变透射率反射镜25A、25B)，使从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入反射镜21、21A(或可变透射率反射镜25A、25B)。在此情况下，当非线性光学晶体1A、1B和分离镜6在围绕激光束3的光轴旋转大约45度时，从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面)。因此，偏振状态转换装置可以省去。甚至在此情况下，由于波长转换激光器配备有诸如四分之一波长盘19之类的圆偏振装置，圆偏振的波长已经转换的激光束以与第三个实施例描述的同样的方式被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
相应的实施例描述了使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2的情况，该激光器用于产生1064nm的随机偏振基本激光束3。然而，激光源2的类型不仅限于Nd(钕):YAG。例如，可以使用诸如氩激光器或准分子激光器之类的气体激光器，或诸如染料激光器之类的液体激光器，以及诸如Nd:YLF激光器、Nd:YVO4激光器或Ti:Al2O3(钛蓝宝石)激光器之类的固态激光器。然而，可能常常会产生这样的情况：与Nd:YVO4激光器的情况相同，激光器会影响线性偏振振动，但不会导致任何随机偏振的振动。然而，只要固态激光器介质的切削方向在一个不同于通常剪切介质的方向的方向中对齐，可以导致随机偏振振动。
相应的实施例显示了这样的情况：按第二类型的相位匹配产生二次谐波的非线性光学晶体用作为波长转换晶体1A、1B。然而，由于使用随机偏振基本激光束3，相位匹配的类型可以是类型1，在这样的情况下，产生了与相应的实施例中产生的优点的相同优点。
相应的实施例显示了这样的情况：通过第二类型的相位匹配产生二次谐波的硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)用作为波长转换晶体1A、1B。然而，要产生的波长转换激光束不仅限于二次谐波。例如，也可以使用三次谐波、四次谐波、五次谐波、和频率或差频率，在每一种情况下，都产生了与相应的实施例中产生的优点的相同优点。
此外，用于波长转换用途的非线性光学晶体(波长转换晶体)1A、1B不仅限于硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)。例如，还可以使用硼酸锂铯(化学分子式：CsLiB6O10，简化名称：CLBO)晶体；硼酸铯(化学分子式：CsB3O5，简化名称：CBO)晶体；β-硼酸钡(beta-barium-borate)(化学分子式：-BaB2O4，简化名称：BBO)晶体；羟基硼酸钙钇钆(gadolinium-yttrium-calcium-oxyborate)(化学分子式：GdxY1-xCa4(BO3)3，简化名称：GdYCOB)晶体，或磷酸钛钾(化学分子式：KTiOPO4，简化名称：KTP)，等等，在每一种情况下，都产生了与相应的实施例中产生的优点的相同优点。
相应的实施例显示了同一种类型的晶体用作波长转换晶体1A、1B的情况。然而，也可以使用不同类型的晶体组合；例如，使用硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)作为波长转换晶体1A，使用硼酸锂铯(化学分子式：CsLiB6O10，简化名称：CLBO)晶体作为波长转换晶体1B。在此情况下，唯一的要求是这样摆放波长转换晶体1A、1B，以便从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的偏振方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约为90度)。具体来说，唯一的要求是这样摆放波长转换晶体1A、1B，以便从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的偏振方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约90度)；换句话说，要产生其偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约90度)的波长已经转换的激光束3C。在每一种情况下，产生了与相应的实施例中产生的优点的相同优点。
此外，还可以使用在波长转换效率方面优于波长转换晶体1A的晶体作为波长转换晶体1B。结果，甚至在非线性光学晶体1A、1B沿相对于激光束通过各晶体的方向具有相同长度的情况下，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的功率和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的功率彼此接近，从而产生这样的优点：能够使波长已经转换的激光束3C处于接近于各向同性的偏振状态。
相应的实施例显示了不使用聚光透镜的波长转换激光器的配置。然而，聚光透镜可以插入在激光源2和波长转换晶体1A之间或插入在波长转换晶体1A、1B之间。除了产生相应的实施例的优点之外，还可以调整进入波长转换晶体1A、1B的基本激光束的直径。因此，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的功率和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的功率彼此更接近，从而产生这样的优点：能够使波长已经转换的激光束3C处于接近于各向同性的偏振状态。
相应的实施例描述了这样的激光辐射器件的情况：聚光光学系统14插入在反射镜12和工作台18(即，工件17)之间。然而，聚光光学系统14可以插入在分离镜6和反射镜12之间。此外，波长转换激光器还可以进一步配备有例如用于使射束均匀的元件，如目镜(fly eye lens)，或用于只允许激光束的中心通过的屏蔽。除了产生与相应的实施例中产生的优点的相同优点外，还产生了能够稳定地执行更均匀的机械加工的优点。
根据本发明，提供了在用于产生基本激光束的共振器外面执行波长转换的波长转换方法，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序通过串联的用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在由各非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束通过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
此外，提供了根据本发明的波长转换设备，用于在用来产生基本激光束的共振器外面执行波长转换，该设备包括：两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴相差45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序通过该两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在由各非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束通过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
还提供了一种波长转换设备，该设备用于在用来产生基本激光束的共振器外面执行波长转换，该设备包括：两个非线性光学晶体，它们彼此串联，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，这两个非线性光学晶体的晶体方向轴在单个方向或大约180度的相反方向对齐；还包括偏振方向旋转装置，该装置位于两个非线性光学晶体之间并将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序通过两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。因此，可以轻易地防止在由各非线性光学晶体进行波长转换的激光束之间产生的干涉的发生，而不必严格地调整两个非线性光学晶体相对于激光束通过的方向的长度。这产生了一个优点：能够高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束。
本发明还能使工件暴露于已经被上文描述的波长转换激光器进行了波长转换的激光束。这产生了一个优点：能够稳定、准确、高效地执行同质而均匀的机械加工。
第六个实施例
图9和10是描述根据本发明的第六个实施例的激光束机械加工方法和激光束机械加工设备的视图。具体来说，图9是显示激光束机械加工设备的侧视图。图10A是一个俯视图；图10B是一个侧视图，图10C是一个透视图，它们都以放大的方式显示了图9所示的用于进行波长转换的非线性光学晶体。
在图9中，激光束机械加工设备包括波长转换器和激光辐射器件。波长转换器包括激光源2，用于产生基本激光束3；以及串联的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体(下文常常称为“波长转换晶体”)1A和1B。基本激光束3以这样的方式接受波长转换：通过两个非线性光学晶体1A和1B，以便偏振方向彼此相差90度。激光辐射器件将已经由波长转换器进行了波长转换的激光束3C辐射到工件17上。
波长转换器配备有波长转换晶体1A和1B，以及分离镜6，该分离镜反射基本激光束3，并允许透射波长已经转换的激光束3C。波长转换晶体1A、1B设置在相应的温度调节器4A、4B上，以便相对于激光源2的光轴而串联。分离镜6位于镜架7上。
激光源2和波长转换器构成了波长转换激光器，激光源2、温度调节器4A、4B，以及镜架7位于一个共用基座5上。
激光辐射器件具有一个反射镜12、聚光光学系统14以及工作台18。由反射镜夹持工具13夹持的反射镜12和由光学系统夹持工具15夹持的聚光光学系统14由一个固定夹具16夹持，而固定夹具16固定于工作台18上。诸如硅、金属板、陶瓷、印刷电路板或印刷电路基板之类的工件17固定于工作台18上。
激光源2将Nd(钕):YAG作为工作介质(active medium)，并产生波长为1064nm的随机偏振的基本激光束3。这里使用的术语“随机偏振的”表示这样的偏振状态：偏振方向不是单一的，与线性偏振光的情况相反，并包含一个含有许多偏振方向分量的偏振状态或非偏振状态。
波长转换晶体1A以及1B由非线性光学晶体(例如；硼酸锂(化学分子式：LiB3O5；简化为LBO)构成。
首先将参考图9描述波长转换激光器(即，波长转换器)的操作。从激光源2发出的并充当用于进行波形转换的基本波形的基本激光束3进入位于前级的波长转换晶体1A，激光束3的一部分通过波长转换被转换为谐波，如此产生一个基波/谐波混合的激光束3A。该基波/谐波混合的激光束3A进入位于后级的波长转换晶体1B，激光束3A的基本波形分量的一部分通过波长转换被转换为谐波，如此产生一个基波/谐波混合的激光束3B。该基波/谐波混合的激光束3B进入分离镜6，激光束3B的基本波形分量被反射以进入未显示的阻尼器或类似的元件。只有激光束3B的谐波分量通过分离镜6，如此通过的谐波分量在波长转换激光器(波长转换器)的外面被提取作为波长已经转换的激光束3C。
如上所述，本实施例的波长转换激光器(波长转换器)使基本激光束沿一个方向传播，其中，该激光束被用于进行波长转换的非线性光学晶体(即，波长转换晶体1A、1B)进行了波长转换。
下面将参考图10A到10C，详细描述摆放波长转换晶体1A、1B的方法。这里，描述了这样一种情况：使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2；该激光器以随机偏振状态发出波长为1064nm的基本激光束3；使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5，简化为LBO)晶体作为波长转换晶体1A、1B，这种晶体通过第二类型的相位匹配将基本激光束3的一部分转换为532nm的二次谐波。
在此情况下，使基本激光束3沿相对于平面9A和9B内的晶体方向轴“c”大约20.5度的方向传播，两个平面都垂直于硼酸锂晶体的晶体方向轴“a”，并由晶体方向轴“b”和“c”构成；从而满足第二类型的相位匹配的条件；即，基波和二次谐波。结果，随机偏振的基本激光束3的一部分接受波长转换，从而沿晶体方向轴“a”的方向产生线性偏振的二次谐波。
在本实施例中，波长转换晶体1A(它位于前级，基本波形激光束首先通过它)，波长转换晶体1B(它位于后级，基本波形激光束随后通过它)在相对于激光束通过各波长转换晶体的方向上的长度不同；即，位于后级的波长转换晶体1B比位于前级的波长转换晶体1A长。
此外，波长转换晶体1A位置是这样的：以便晶体方向轴“a”朝向水平方向(即，垂直于图9的页面的方向)，波长转换晶体1B的位置是这样的：以便晶体方向轴“a”朝向垂直方向(即，平行于图9的页面的方向)。如上所述，当两个波长转换晶体1A、1B彼此串联在一起时，波长转换晶体1B的晶体方向轴相对于另一个波长转换晶体1A围绕激光束3的光轴旋转90度(具体来说，当沿激光束的光轴方向观察时，各晶体方向轴彼此相差90度)。结果，从波长转换晶体1A发出的二次谐波的偏振方向与由波长转换晶体1B产生的二次谐波的偏振方向相差90度。因此，产生了一个波长已经转换的激光束3C，其偏振方向相差大约90度。
接下来，将描述激光束机械加工操作。从波长转换激光器(即，波长转换器)发出的波长已经转换的激光束3C被反射镜12反射，并由聚光光学系统15聚集和辐射在工件17上，如此通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等对工件17进行机械加工。
如上所述，在第六个实施例中，从波长转换激光器(波长转换器)发出的波长已经转换的激光束3C的偏振方向彼此相差90度。具体来说，波长已经转换的激光束3C包括水平偏振分量(即，朝向垂直于图9的页面的方向的分量)和垂直偏振分量(即，朝向平行于图9的页面的方向的分量)并进入接近于随机偏振光的偏振状态。因此，产生了这样的优点：能够稳定地执行均匀的[即，不管偏振方向和机械加工点(位置)如何都是恒定的]机械加工，而不依赖于偏振方向。
在第六个实施例中，从波长转换晶体1A发出的二次谐波(波长已经转换的激光束)的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的二次谐波(即，波长已经转换的激光束)的偏振方向彼此相差90度。因此，在各二次谐波之间不会产生干涉，且波长转换激光器(波长转换器)可以高效而稳定地产生高输出波长已经转换的激光束3C。如上所述，由于稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束3C，可产生这样的优点：在长时间内以高精度执行均匀的机械加工(相对于时间是均匀的)。
此外，进入波长转换晶体1B的基波/谐波混合的激光束3A的基波分量的功率小于进入波长转换晶体1A的基波激光束3的功率。然而，在第六个实施例中，在相对于激光束通过各晶体的方向上，位于后级的波长转换晶体1B比位于前级的波长转换晶体1A长。因此，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的二次谐波的功率接近于从位于后级的波长转换晶体1B发出的二次谐波的功率。如上所述，因为可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的二次谐波的功率接近于从位于后级的波长转换晶体1B发出的二次谐波的功率，从而能够使波长已经转换的激光束3C处于接近于随机偏振的偏振状态。这产生了一个优点：能够稳定地执行均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
下面将通过提供特定的测试示例(即，第六个实施例1和比较示例1)描述本实施例的优点。
第六个实施例
使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2，该激光器执行Q-开关脉冲振动，并产生波长为1064nm的基本激光束。激光束3的技术指标包括平均功率529W，脉冲周期频率4kHz、脉冲宽度40.4ns，射束质量M2.10。
使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5)作为波长转换晶体1A、1B，其中，硼酸锂通过第二类型的相位匹配产生二次谐波，其中，各晶体在相对于激光束通过各晶体的方向上的长度为15mm和18mm。各晶体位于基本激光束3的1/e2半径处；即，在0.54mm和0.52mm处。
当波长转换晶体1A的晶体方向轴“a”水平地摆放而波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”垂直地摆放时，如图10A到10C所示，二次谐波波长已经转换的激光束3C产生186W的输出。二次谐波波长已经转换的激光束接受偏振分离，并测量每一个所产生的偏振分量的功率。来自波长转换晶体1A的偏振分量的功率是95W，来自波长转换晶体2A的偏振分量的功率是91W。如此，两个偏振分量基本上具有相同的功率。波长已经转换的激光束3C处于接近于随机偏振的偏振状态。二次谐波波长已经转换的激光束3C的平均输出的波动大约为1％，且非常稳定。波长已经转换的激光束3C辐射在非晶态硅上，如此将非晶态硅转换为多晶硅。器件的特性不取决于偏振方向。
比较实例1
比较示例与示例1的区别只是在于波长转换晶体1A、1B的方向不同；波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便各晶体方向轴“a”水平地摆放。在此情况下，二次谐波波长转换的激光束3C的平均输出是138W，大约比前一示例中获得的值低23％。此外，二次谐波波长已经转换的激光束3C的平均输出的波动大约为10％，且非常不稳定。此外，由于两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴的方向对齐，因此，波长已经转换的激光束3C是线性偏振的。波长已经转换的激光束3C辐射在非晶态硅上，如此将非晶态硅转换成为多晶硅。在各器件的特性之间存在区别，并且取决于扫描方向和偏振方向。
测试结果显示，通过将工件不暴露于线性偏振光而是暴露于其偏振方向彼此相差90度的波长已经转换的激光束，可以稳定地执行不取决于偏振方向的均匀的机械加工。
第六个实施例描述了这样的情况：波长转换晶体1A的晶体方向轴“a”水平地摆放，波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”垂直地摆放。相反，波长转换晶体1A的晶体方向轴“a”可以垂直地摆放，而波长转换晶体1B的晶体方向轴“a”可以水平地摆放。简而言之，唯一的要求是这样摆放各晶体，以便从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向彼此相差90度。只要满足此要求，就会产生类似于结合第六个实施例所描述的优点的优点。
第六个实施例描述了这样的情况：其偏振方向彼此相差90度的波长已经转换的激光束辐射到工件17上。然而，偏振方向需要包括相互交叉的偏振分量，并且必须进入接近于随机偏振的偏振状态。因此，唯一的要求是，各偏振方向彼此相差到这样的程度，以便从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束之间的干涉的影响变小。相应地，各偏振方向不需要正好彼此相差90度。唯一的要求是，各偏振方向彼此相差45度到90度。理想的情况是，差值大约为90度。[例如，在85度到90范围内(由于干涉的影响导致的输出下降变为10％或更小)，优选情况下，位于88到90的范围内(由于干涉的影响导致的输出的下降变为5％或更小)]。
两个波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便当在激光束的光轴的方向观察时，各晶体方向轴彼此相差90度。然而，如在前面描述的情况中那样，各晶体方向轴不需要正好彼此相差90度。唯一的要求是，两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴彼此相差45度到90。理想情况下，差值大约为90度。(例如，在85度到90范围内，优选情况下，位于88到90的范围内)。
在本发明中，当在两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴之间定义的角度中的较小的角度为45度，该两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴彼此相差45度。当已经被两个波长转换晶体1A、1B进行了波长转换的激光束的偏振方向之间定义的角度中的较小的角度是45度时，各偏振方向彼此相差45度。
第七个实施例
图11和12是描述根据第七个实施例的激光束机械加工方法和激光束机械加工设备的视图。具体来说，图11是激光束机械加工设备的侧视图，图12是放大显示波长转换晶体和波长盘(两者都在图11中显示)的透视图。
在第七个实施例中，两个波长转换晶体1A、1B彼此串联在一起，以便当沿激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴“a”沿单个方向对齐。波长盘10位于两个非线性光学晶体1A和1B之间，作为偏振方向旋转装置，用于将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转90度。在其它方面，本实施例和第六个实施例一样，因此，下列说明主要论述第六和第七个实施例之间的区别。
在图11所示的波长转换激光器中，用于将基波/谐波混合的激光束3A的谐波分量的偏振方向围绕光轴旋转90度的波长盘10由支持架11夹持。在插入波长转换晶体1A和1B之间的底座5上提供了支持架11。波长盘10例如由半波长盘构成，且波长盘10的晶体方向轴相对于波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴“a”围绕激光束3的光轴旋转45度。
图12显示了这样的情况：使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2，该激光器通过随机偏振产生波长为1064nm的基本激光束3；使用硼酸锂(化学分子式：LiB3O5，简化为LBO)作为波长转换晶体1A、1B，这种晶体通过第二类型的相位匹配使基本激光束3的一部分经波长转换成为波长为532nm的二次谐波。波长转换晶体1A、1B这样摆放，以便各晶体方向轴“a”水平地摆放(即，垂直于图11的页面的方向)。
在具有前述的结构的波长转换激光器中，基波/谐波混合的激光束3A进入波长转换晶体1B，而激光束3A的谐波分量的偏振方向由半波长盘10围绕光轴旋转90度。因此，从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的二次谐波的偏振方向和从波长转换晶体1B发出的二次谐波的偏振方向彼此相差90度。具体来说，产生其偏振方向彼此相差大约90度的激光束作为波长已经转换的激光束3C。
因此，第七个实施例也会产生与第六个实施例产生的优点相同的优点。
第七个实施例显示了波长转换激光器这样的配置：这种激光器采用半波长盘10作为偏振方向旋转装置，该装置将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转大约90。然而，可以使用光学旋转盘或电光元件代替半波长盘10，在这样的情况下，可以产生类似的优点。
第七个实施例显示了这样的配置：当沿激光束的光轴的方向观察时，两个波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴在单个方向对齐。然而，两个波长转换晶体可以以相反的方向摆放，即，相差180度，在这样的情况下，也会产生类似于由第七个实施例产生的优点的优点。
在波长转换晶体1A、1B的晶体方向轴之间形成的角度可以为任意大小，只要在从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束之间的干涉的影响在该角度下变得较小即可。各波长转换晶体的晶体方向轴不必沿一个方向准确地对齐或精确地成180度的相反方向。各晶体方向轴可以基本上沿一个方向对齐或基本上成大约180度的相反方向。例如，与单个方向或与180度的相反方向存在5度或更小的偏移，理想的情况下，存在2度或更小的偏移，这都是允许的。
相同的原理也适用于偏振方向旋转装置。偏振方向旋转装置不必准确地旋转90度，旋转装置在45度到90范围内的旋转都是理想的。理想情况下，差值大约为90度(例如，差值在85度到90度的范围内，优选情况下，在88度到90度的范围内)就足够了。
简而言之，与第六个实施例的情况相同，唯一的要求是，要辐射本工件上的波长已经转换的激光束3C的偏振方向(即，从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向)彼此相差45度到90度，理想情况下，为90度(例如，在85度到90度的范围内，优选情况下，在88度到90度范围内)。
第八个实施例
图13和14是描述根据第八个实施例的激光束机械加工方法和激光束机械加工设备的视图。具体来说，图13和14是激光束机械加工设备的侧视图。
在第八个实施例中，该设备具有一个四分之一波长盘19充当圆偏振装置，用于将波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。在其它方面，本实施例的配置和第六个实施例一样，因此，下面给出的说明主要论述第八个实施例和第六个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19固定于支持架20上，该支持架位于底座5A之上，底座5A进一步固定在底座5上。在图13中，底座5A被配置为与底座5分离，但它们也可以配置为集成在一起。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，从波长转换器(即，波长转换激光器)发出的波长已经转换的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光，如此产生圆偏振的波长已经转换的激光束3D。具体来说，例如，在来自从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量被作为由四分之一波长盘19进行按顺时针方向圆偏振的光的情况下，来自从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量被变为由四分之一波长盘19进行按逆时针方向圆偏振的光。如此，产生了波长已经转换的激光束3D，其包括一个混合物，该混合物包括逆时针方向圆偏振光和顺时针方向圆偏振光。该圆偏振的波长已经转换的激光束3D从反射镜12反射，如此反射的光被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而工件接受退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等处理。
如上所述，除第六个实施例的优点之外，在第八个实施例中，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行更同质的机械加工，而不取决于偏振方向。
图13显示了四分之一波长盘19被插入到第六个实施例的波长转换激光器(波长转换器)的情况。然而，如图14所示，四分之一波长盘19可以插入到第七个实施例的波长转换激光器(波长转换器)中。
用于将波长已经转换的激光束转换为圆偏振光的圆偏振装置不仅限于四分之一波长盘19，而且例如也可以是电光元件。
第九个实施例
图15是一个描述根据本发明的第九个实施例的激光束机械加工方法和激光束机械加工设备的视图；具体来说，图15是激光束机械加工设备的俯视图。
除具有结合第六个实施例所描述的波长转换激光器的各元件之外，本实施例的激光束机械加工设备主要具有下列元件：
首先，该激光束机械加工设备配备有反射镜21、21A充当反射器件，用于允许波长转换激光束3D的一部分通过。
此外，该激光束机械加工设备配备有功率监视器22，用于监视功率，射束剖面仪23，用于监视射束剖面。这里，功率监视器22充当射束监视器，该监视器用于监视已经通过反射镜21、21A的波长转换激光束3E、3F射束参数[功率、射束剖面(射束大小)、射束质量、以及发散角]。
该激光束机械加工设备还配备有四分之一波长盘19充当偏振状态转换装置。该偏振状态转换装置位于反射器件(反射镜21、21A)之前的一级，并转换波长转换激光束3C的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射器件的反射面)。具体来说，偏振状态转换装置执行转换操作，以便从非线性光学晶体1A(基本激光束首先通过该非线性光学晶体1A)发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率(相对于反射器件的反射面)，基本上等于从非线性光学晶体1B(基本激光束随后通过该非线性光学晶体1B)发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率(相对于反射器件的反射面)。四分之一波长盘19也可以充当圆偏振装置，用于将结合第八个实施例描述的波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。
在其它方面，该激光束机械加工设备在配置方面与第六个实施例的激光束机械加工设备相同，因此，现在主要讲述第六个和第九个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19由支持架20支撑，支持架20位于底座5上。反射镜21、21A由镜架7A、7B夹持，镜架7A、7B位于底座5上四分之一波长盘19后面。功率监视器22由支持架20A夹持，支持架20A位于底座5上反射镜21的背后。射束剖面仪25由支持架20B夹持，支持架20B位于底座5上反射镜21A的背后。
激光辐射器件具有反射镜12、聚光光学系统14以及工作台18A。由镜架13A夹持的反射镜12、由光学系统支持架15A夹持的聚光光学系统14，以及工作台18A固定于底座5B上。工作台18A夹持工件17，如硅、金属板、陶瓷、印刷电路板或印刷电路基板。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，已经通过分离镜6的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光(即，圆偏振的)，从而激光束3C的偏振状态被转换，如此产生波长已经转换的激光束3D。该激光束3D在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间相对于反射器件(即，反射镜21、21A)的反射面的比率方面基本上和从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束一样。具体来说，例如，当从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19转换为顺时针方向圆偏振光，以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量被四分之一波长盘19转换为逆时针方向圆偏振光时，因此，波长已经转换的激光束3D混合地包括顺时针方向圆偏振光和逆时针方向圆偏振光。
该圆偏振的波长已经转换的激光束3D被反射镜21、21A和12反射，并被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等工艺对工件17进行机械加工。
该圆偏振的波长已经转换的激光束3D的一部分通过反射镜21。已经通过反射镜21的波长已经转换的激光束3E进入功率监视器22，在此，测量激光束3E的功率。此外，圆偏振的波长已经转换的激光束3D的一部分通过反射镜21A。已经通过反射镜21A的波长已经转换的激光束3F进入射束剖面仪23，在此，测量射束的剖面。
如前所述，在本实施例中，本实施例的激光束机械加工设备具有四分之一波长盘19作为同时充当圆偏振装置和偏振状态转换装置的装置，波长已经转换的激光束3C被转换为圆偏振光。因此，与第八个实施例的情况相同，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行更均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
此外，该激光束机械加工设备配备有功率监视器22，该监视器充当用于监视波长已经转换的激光束3D的功率的装置，如此监视对应于圆偏振的波长已经转换的激光束3D(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))一部分的波长已经转换的激光束3E的功率。由于已经预先掌握波长已经转换的激光束3E的功率和波长已经转换的激光束3D的功率之间的关系，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率的总和可以实质上准确地测量。具体来说，从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的功率可以实质上准确地测量。因此，可以确定是否能在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。因此，要辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率可以实质上准确地测量。因此，产生了一个优点：能够确定是否可以在长时间内执行均匀、高精度的机械加工(即，相对于时间是恒定的)。
该激光束机械加工设备进一步配备有射束剖面仪23，该剖面仪充当用于监视波长已经转换的激光束3D的剖面的装置，如此监视波长已经转换的激光束3F(激光束3F是圆偏振的波长已经转换的激光束3D的一部分)的剖面(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))。
因此，可以实质上准确地测量从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的射束剖面和从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的射束剖面的总和。因此，能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的射束剖面，并可以确定是否能在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。此外，要辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的射束剖面可以实质上准确地测量。因此，产生了一个优点：能够确定是否可以在长时间内执行均匀、高精度的机械加工(即，相对于时间是恒定的)。
通过监视波长已经转换的激光束3D(该激光束是由于波长已经转换的激光束3C的偏振状态被转换(圆偏振)而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))的一部分的功率和射束剖面而获得的优点是唯一地通过混合地包括许多线性偏振光分量的波长转换激光器(如结合本发明所描述的)所获得的。此优点无法通过普通的线性偏振激光器或随机偏振激光器获得。下面将进一步对这一点进行详细的描述。
一般而言，当使激光束按不是垂直的角度进入反射镜时，反射镜的反射率会产生区别，具体情况取决于入射束的偏振方向，“s”偏振光的反射率高于“p”偏振光的反射率。具体来说，“s”偏振光的透射率低于“p”偏振光的透射率。
现在将描述充当比较示例的波长转换激光器。具体来说，该激光器没有四分之一波长盘19，并使没有经过圆偏振的波长已经转换的激光束3C进入反射镜21，21A，并监视通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束3E、3F的功率和射束剖面。例如，当波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方向彼此相差90度)，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入反射镜21、21A，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入反射镜21、21A。“s”偏振光的透射率低于“p ”偏振光的透射率。因此，与从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和射束剖面相比，可以更密切地监视从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和射束剖面。
具体来说，例如，当使波长已经转换的激光束3C以大约45度的角度进入反射镜21、21A时，“s”偏振光通过反射镜21、21A的透射率例如大约为0.1％，“p”偏振光通过反射镜21、21A的透射率例如大约为0.9％。从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.1％的分量与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.9％的分量之和进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量该总和的功率和射束剖面。
因此，例如，如果只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率或射束剖面中产生变化，则在功率监视器22的读数以及射束剖面仪23的读数中的变化是小的。因此，会产生这样的问题：不能准确地监视辐射在工件17上的波长已经转换的激光束的功率或射束剖面的变化。
在本实施例中，使已经被四分之一波长盘19圆偏振的波长已经转换的激光束3D(即，波长已经转换的激光束3C的偏振状态被转换(圆偏振)，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面))进入反射镜21、21A。
因此，进入功率监视器22和射束剖面仪23并从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量以及进入功率监视器22和射束剖面仪23并从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量包括相对比例基本上相同的“s”偏振分量和“p ”偏振分量。以该基本上相同的相对比例监视从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率和射束剖面以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率和射束剖面。
具体来说，例如，“s”偏振光通过反射镜21、21A的透射率大约为0.1％，“p”偏振光通过反射镜21、21A的透射率大约为0.9％。“s”偏振光分量和“p ”偏振光分量两者各占从波长转换晶体1A发出的圆偏振波长已经转换的激光束3D的约50％的分量。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.05％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.45％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过反射镜21、21A。同样，“s”偏振分量和“p”偏振分量两者各占从波长转换晶体1B发出的圆偏振波长已经转换的激光束3D的约50％的分量。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过反射镜21、21A。因此，在波长已经转换的激光束3D中，从波长转换晶体1A发出的分量和从波长转换晶体1B发出的分量以相同的比例进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量各分量的功率和射束剖面。
因此，能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面，并确定是否可以在长时间内稳定而高效地产生高输出波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面，并能够确定是否可以在长时间内稳定、高精度地执行均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
此外，甚至只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率或射束剖面中已产生变化时，也产生这样的优点：能够实质上准确地监视辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的功率和射束剖面中的变化，并能够确定由于只在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的功率或射束剖面中产生变化而导致的机械加工的变化。
在普通的线性偏振激光器中，进入反射镜21、21A的激光束的偏振方向只有“s”偏振或“p”偏振。因此，透射率保持不变，不管在进入反射镜21、21A之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于监视圆偏振波长已经转换的激光束的功率和射束剖面而导致的新优点。
此外，在普通的随机偏振激光器中，进入反射镜21、21A的激光束的偏振方向包括相同比例的“s”偏振光和“p”偏振光。因此，透射率保持不变，不管在进入反射镜21、21A之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于监视圆偏振波长已经转换的激光束的功率和射束剖面而导致的新优点。
通过参考特定的数值描述了这样的情况：波长转换晶体1A、1B发出波长已经转换的激光束，这些激光束在偏振方向方面彼此相差大约90度。相同的原理也可以适用于偏振方向彼此相差45到90度的情况，以及偏振方向彼此相差90度的情况。例如，使波长已经转换的激光束3C通过四分之一波长盘19(也充当偏振状态转换装置)，并将其转换为椭圆偏振的波长转换激光束3D，其中，激光束3D以基本上相同的比例包括从非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量，其方式如下：来自波长转换晶体1A的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量，以便来自波长转换晶体1B的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量。在波长已经转换的激光束3D中，来自波长转换晶体1A的分量以及来自波长转换晶体1B的分量以相同的比例进入功率监视器22和射束剖面仪23，在那里测量各分量的功率和射束剖面。
图15显示了这样的配置：从反射镜21、21A反射的波长已经转换的激光束用于机械加工，其中，监视已通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束的射束参数。也可以采用这样的配置：已通过反射镜21、21A的波长已经转换的激光束用于机械加工，其中，监视已接受反射镜21、21A的反射的波长已经转换的激光束的射束参数。
图15显示了第六个实施例的波长转换激光器具有四分之一波长盘19、反射镜21、21A，功率监视器22以及射束剖面仪23的情况。然而，甚至在第七个实施例的激光束机械加工设备配备有四分之一波长盘19、反射镜21、21A、功率监视器22，以及射束剖面仪23的情况下，也可以产生相同的优点。
除具有图15所示的配置之外，该波长转换激光器配备有用于根据功率监视器22的读数控制激光源2的输出的装置，或根据功率监视器22的读数控制温度调节器4A、4B的温度的装置，从而执行反馈控制。结果，产生了这样的优点：能够在长时间内稳定地维持波长已经转换的激光束3D的功率。
可以根据由射束剖面仪23测量的射束剖面确定射束大小。因此，除具有图15所示的配置之外，该波长转换激光器配备有射束大小调整机构，其包括例如许多透镜的组合，从而产生这样的优点：能够将波长已经转换的激光束3D的射束大小调整到一个任意值，并进行输出。
此外，反馈控制是通过提供用于根据由射束剖面仪23测量的射束大小来控制射束大小调整机构的装置来执行的，从而产生了这样的优点：能够在长时间内稳定地维持波长已经转换的激光束3D的射束大小。
第九个实施例描述了这样的情况：该波长转换激光器配备有用于监视射束参数[即，功率、射束剖面(射束大小)、射束质量，以及发散角]中的功率和射束剖面的装置。该波长转换激光器可以配备有用于监视射束质量(诸如表明激光束或射束产品的聚光特性的M2值之类的指数)的装置。能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的质量，并能够确定是否可以在长时间内稳定地产生高质量的波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的质量，并能够确定是否可以在长时间内稳定地执行高精度的均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
该波长转换激光器可以配备有用于监视发散角的装置；例如，许多射束剖面仪。能够实质上准确地测量从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3D的发散角，并能够确定是否可以在长时间内稳定地产生高质量的波长已经转换的激光束。因此，产生了这样的优点：能够实质上准确地测量辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3D的发散角，并能够确定是否可以在长时间内稳定地执行高精度的均匀的机械加工(即，相对于时间是均匀的)。
第十个实施例
图16是一个描述根据本发明的第十个实施例的激光束机械加工方法和激光束机械加工设备的视图；具体来说，图16是激光束机械加工设备的俯视图。
除具有结合第六个实施例所描述的激光束机械加工设备的各元件之外，本实施例的激光束机械加工设备主要具有下列元件：
首先，该激光束机械加工设备配备有可变衰减器24，该可变衰减器具有可变透射率的反射镜25A、25B，充当用于调整波长转换激光束3D的功率的装置，并且其透射率是可变的。
此外，激光束机械加工设备还配备有四分之一波长盘19，充当偏振状态转换装置。该偏振状态转换装置位于可变衰减器24之前的一级，并转换波长转换激光束3C的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射器件的反射面)。这里，四分之一波长盘19也可以充当圆偏振装置，用于将结合第八个实施例描述的波长已经转换的激光束3C转换为圆偏振光。
在其它方面，第十个实施例和第六实施例的配置一样，因此，下列说明主要论述第六和第十个实施例之间的区别。
四分之一波长盘19由支持架20支撑，支持架20位于底座5上。可变衰减器24由支持架20C支撑，支持架20C位于底座5上。在可变衰减器24中提供了可变透射率的反射镜25A、25B，其透射率随着波长已经转换的激光束3C的入射角而变化，还提供了一个未显示的机构，其用于旋转可变透射率的反射镜25A、25B，由此改变波长已经转换的激光束3C进入的角度。
该激光辐射器件在配置方面与结合第九个实施例所描述的激光辐射器件相同。
在具有前述的配置的激光束机械加工设备中，已经通过分离镜6的激光束3C被四分之一波长盘19转换为圆偏振光(即，圆偏振的)，从而激光束3C的偏振状态被转换，由此产生波长已经转换的激光束3D。激光束3D在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面的比率方面基本上和从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束一样。
圆偏振波长已经转换的激光束3D被转换为波长已经转换的激光束3G，其功率由可变衰减器24进行调整。然后，该波长已经转换的激光束被反射镜12反射，并被聚光光学系统14聚集和辐射在工件17上，从而通过退火、表面重整、钻孔、剪切、焊接、修剪等等工艺对工件17进行机械加工。
如前所述，在本实施例中，本实施例的激光束机械加工设备具有四分之一波长盘19作为同时充当圆偏振装置和偏振状态转换装置的装置，且波长已经转换的激光束3C被转换为圆偏振光。因此，与第八个实施例的情况相同，圆偏振的波长已经转换的激光束3D被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行比较均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
此外，激光束机械加工设备配备有可变衰减器24，该可变衰减器充当用于调整波长已经转换的激光束3D的功率的装置，使圆偏振的波长已经转换的激光束3D(即，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面))进入可变衰减器24。因此，可以按相同的比例调整从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率。因此，能够在基本上不改变从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3C的射束剖面的情况下调整功率。因此，产生了这样的优点：能够在基本上不改变辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的情况下调整功率，以及能够通过只改变作为机械加工参数的功率来执行机械加工操作。
还产生了这样的优点：通过降低可变衰减器24的透射率、将射束剖面摆放在工作台18A的一个机械加工点上、以及测量机械加工点处的射束剖面，能够测量和在机械加工过程中获得的射束剖面实质上一样的射束剖面。
通过使波长已经转换的激光束3D进入可变衰减器24以及通过改变波长已经转换的激光束3D进入可变透射率的反射镜25A、25B的角度来调整波长已经转换的激光束3G的功率而获得的优点是由混合地包括许多线性偏振光分量(如结合本发明所描述的)的波长转换激光器唯一地获得的，其中，波长已经转换的激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成(圆偏振)，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率反射镜25A、25B的镜面)。此优点无法通过普通的线性偏振激光器或随机偏振激光器获得。下面将进一步对这一点进行详细的描述。
现在作为一个比较示例描述这样的情况：激光器没有配备四分之一波长盘19，并使没有被圆偏振的波长已经转换的激光束3C进入可变衰减器24。例如，当波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方使彼此相差90度)，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入可变透射率的反射镜25A、25B，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入可变透射率的反射镜25A、25B。“s”偏振光的透射率低于“p”偏振光的透射率。结果，波长转换激光器输出波长已经转换的激光束，其包括从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，该分量大于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，如此发出的波长已经转换的激光束辐射在工件17上。
“s”偏振光的透射率和“p”偏振光的透射率之间的比率随着可变衰减器24(即，可变透射率的反射镜25A、25B)的透射率而变化。
因此，只有波长已经转换的激光束的功率无法由可变衰减器24进行调整。例如，当通过减小可变衰减器24的透射率而使射束剖面仪摆放在机械加工点时，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量(两个分量都是从波长转换激光器输出的)之间的比率，从机械加工的时间到测量射束剖面的时间之间这段时间内是变化的。
因此，可以测量将要在机械加工点获得的并且不同于在机械加工过程中所需要的射束剖面。
具体来说，例如，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％  时执行机械加工的情况下，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率大约为65％。波长转换激光器输出波长已经转换的激光束，其包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约35％的分量，以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约65％的分量；即，波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，其比例为1∶1.9。机械加工是通过使用波长已经转换的激光束执行的，该激光束包括来自波长转换晶体1A的分量和来自波长转换晶体1B的分量，这些分量的比例是不同的。
当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，例如，通过将可变衰减器24的透射率缩小大约1％，并将射束剖面仪放在工作台18A上的机械加工点，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束，该激光束完全不同于在机械加工过程中发出的激光束；即，该波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.1％的分量，以及从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的大约0.9％的分量；具体来说，波长已经转换的激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量，其比例为1∶9。结果，可以测量波长已经转换的激光束的射束剖面，该射束剖面在来自波长转换晶体1A的分量与来自波长转换晶体1B的分量的比例方面不同于当以前述的可变衰减器24的大约50％的平均透射率执行机械加工时获得的射束剖面。因此，射束剖面从机械加工的时间到测量射束剖面的时间之间这段时间内是变化的，并且将在机械加工过程中获得的射束剖面无法准确地确定，从而会产生这样的问题：不能准确地确定射束剖面对机械加工的影响。
然而，在本实施例中，使已经被四分之一波长盘19圆偏振的波长已经转换的激光束3D进入可变衰减器24(其中，激光束3D通过转换波长已经转换的激光束3C的偏振状态而形成，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于可变透射率的反射镜25A、25B的镜面))。从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的“s”偏振光分量和波长已经转换的激光束3D的“p”偏振光分量在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量(两者都进入可变透射率的反射镜25A、25B)之间的比率方面是相同的。工件17可以暴露于波长已经转换的激光束，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例基本上相同。
甚至在可变衰减器24的透射率已经变化的情况下，来自波长转换晶体1A的分量和来自波长转换晶体1B的分量的比例基本上相同，因此，在不改变射束剖面的情况下，通过可变衰减器24只能调整波长已经转换的激光束的功率。因此，例如，通过缩小可变衰减器24的透射率将射束剖面仪摆放在机械加工点，并测量将要在机械加工点获得的射束剖面，从而能使射束剖面的测量基本上和机械加工过程中将获得的射束剖面一样。
具体来说，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％时执行机械加工的情况下，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为65％。“s”偏振光分量的值为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的大约50％的分量，“p”偏振分量的值大约也为50％。大约35％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约17.5％的分量)和大约65％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约32.5％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。因此，机械加工是通过使用波长已经转换的激光束3G执行的，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。
例如，当通过将可变衰减器24的平均透射率降低到大约1％而使射束剖面仪放置于机械加工点时，以及当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。“s”偏振光分量的值为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的大约50％的分量，“p”偏振分量的值大约也为50％。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.05％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.45％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。因此，可以通过使用波长已经转换的激光束3G测量要在机械加工点处获得的射束剖面，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1∶1。
在测量射束剖面时和在机械加工时存在基本上恒定的比例；具体来说，在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量之间的比例基本上是恒定的。要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
在普通的线性偏振激光器中，进入可变透射率的反射镜25A、25B的激光束的偏振方向只有“s”偏振或“p”偏振。因此，透射率保持不变，不管在进入可变透射率的反射镜25A、25B之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于使圆偏振波长已经转换的激光束进入可变透射率的反射镜25A、25B中而导致的新优点。
此外，在普通的随机偏振激光器中，进入可变透射率的反射镜25A、25B的激光束的偏振方向包括相同比例的“s”偏振光和“p”偏振光。因此，透射率保持不变，不管在进入可变透射率的反射镜25A、25B之前激光束是否被圆偏振。因此，不会产生由于使圆偏振波长已经转换的激光束进入可变透射率的反射镜25A、25B中而导致的新优点。
通过参考特定的数值描述了这样的情况：波长转换晶体1A、1B发出波长已经转换的激光束，这些激光束在偏振方向方面彼此相差大约90度。相同的原理也可以适用于偏振方向彼此相差45到90度的情况以及偏振方向彼此相差90度的情况。例如，使波长已经转换的激光束3C通过四分之一波长盘19(也充当偏振状态转换装置)，并将其转换为椭圆偏振的波长转换激光束3D，其中，激光束3D以基本上相同的比例包括从非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束的“s”偏振光分量和“p”偏振光分量，其方式如下：来自波长转换晶体1A的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量，以便来自波长转换晶体1B的分量包括大约60％的“s”偏振光分量和大约40％的“p”偏振光分量。在波长已经转换的激光束3D中，来自波长转换晶体1A的分量以及来自波长转换晶体1B的分量以相同的比例进入可变衰减器24中。如上所述，在测量射束剖面时和在机械加工时存在基本上恒定的比例；具体来说，在从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量之间的比例基本上是恒定的。要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
图16显示了波长转换激光器配备有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况。然而，与第九个实施例的情况相同，四分之一波长盘19、反射镜21、21A，以及用于监视射束参数的装置，如功率监视器22和射束剖面仪23，可以在可变衰减器24之后的阶段提供。在这样的情况下，产生了和在第九个实施例中产生的优点一样的优点，还产生了这样的优点：能够实质上准确地监视其功率已经调整的波长已经转换的激光束3G的功率和射束剖面。
图16显示了第六个实施例的波长转换激光器具有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况。然而，甚至在第七个实施例的激光束机械加工设备配备有四分之一波长盘19和可变衰减器24的情况下也可以产生相同优点。
虽然图16显示了波长转换激光器配备有可变衰减器24(其透射率是可变的)的情况，但是，波长转换激光器也可以配备有具有恒定透射率的衰减器。甚至在此情况下，也可以按相同的比例调整从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量的功率。因此，产生了这样的优点：能够在不涉及从波长转换激光器输出的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的任何实质性的改变的情况下通过具有恒定的透射率的衰减器来调整功率。因此，能够在不涉及辐射在工件17上的波长已经转换的激光束3G的射束剖面的任何实质性改变的情况下根据衰减器的透射率来调整功率，从而产生了这样的优点：能够通过只改变作为机械加工参数的激光束的功率来执行机械加工操作。
在第九和第十个实施例中，诸如四分之一波长盘19之类的偏振状态转换装置，理想情况下转换波长已经转换的激光束的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面精确地相等(相对于反射器件的反射面，例如，可变透射率的反射镜的镜面)。然而，产生相同优点的基本要求是，在从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值以及从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值之间存在大约1∶4至4∶1的比例。
具体来说，在这样的情况下：从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量大约为20％，而其“p”偏振光分量大约为80％，从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量大约为50％，而其“p”偏振光分量大约为50％，则在从非线性光学晶体1A发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值以及从非线性光学晶体1B发出的波长已经转换的激光束中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量的比率值之间存在1∶4的比例。在此情况下，当在可变衰减器24的平均透射率降低到大约50％时执行机械加工的情况下，“s”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为35％，“p”偏振光通过可变透射率反射镜25A、25B的透射率的值大约为65％。“s”偏振光分量的值大约为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的分量的20％，“p”偏振分量的值大约为80％。因此，大约35％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约7％的分量)和大约65％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约52％的分量)之总和；即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约59％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。如前所述，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约50％的分量通过可变衰减器24。
因此，波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.18∶1。因此，机械加工是通过使用波长已经转换的激光束3G执行的，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.18∶1。
例如，当通过将可变衰减器24的平均透射率降低到大约1％而使射束剖面仪放置于机械加工点时，以及当测量将要在机械加工点获得的射束剖面时，“s”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.1％，“p”偏振光通过可变透射率的反射镜25A、25B的透射率的值大约为0.9％。“s”偏振光分量的值为从波长转换晶体1A发出的波长转换激光束3D的大约20％的分量，“p”偏振分量的值大约为80％。大约0.1％的“s”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.02％的分量)和大约0.9％的“p”偏振光分量(即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.72％的分量)之总和，即，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.8％的分量通过可变衰减器24。同样，相对于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，“s”偏振光分量的值大约为50％，“p”偏振光分量的值大约为50％。因此，从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的大约0.5％的分量通过可变衰减器24。
因此，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量以相同的比例通过可变衰减器24。波长转换激光器发出波长已经转换的激光束3G，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.6∶1。因此，可以通过使用波长已经转换的激光束3G测量要在机械加工点处获得的射束剖面，该激光束包括从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量和从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量，它们的比例大约为1.6∶1。
相应地，在测量射束剖面时以及在机械加工过程中，从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3D的分量的值与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3D的分量的值相差大约36％。因此，要在机械加工过程中获得的射束剖面实质上可以准确地确定，也可以实质上准确地确定射束剖面对机械加工的影响。此外，机械加工条件可以通过观察在机械加工点测量的射束剖面来改变。
第九和第十个实施例描述了这样的情况：四分之一波长盘19被用作偏振状态转换装置，用于转换波长已经转换的激光束的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s ”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面精确地相等(相对于反射器件(即，反射镜21、21A)或可变透射率反射镜25A、25B的镜面)。例如，可以使用一个用于将波长已经转换的激光束转换为圆偏振光电光元件作为偏振状态转换装置。此外，波长已经转换的激光束3C的偏振方向可以通过使用例如半波长盘、偏振旋转器或充当偏振状态转换装置的电光元件来进行旋转，以便从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量相对于每一个反射镜的反射面(即，镜面)的比率基本上等于从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C中的“s”偏振光分量与“p”偏振光分量相对于每一个反射镜的反射面(即，镜面)的比率。如此，产生了与第四和第十个实施例中产生的优点的相同优点。
在第九和第十个实施例中，采用了这样的配置：例如，波长转换晶体1A、1B产生波长已经转换的激光束(其偏振方向彼此相差90度)，其中，使从波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“s”偏振光进入反射镜21、21A(或可变透射率反射镜25A、25B)，以及使从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束3C的分量作为“p”偏振光进入反射镜21、21A(或可变透射率反射镜25A、25B)。在此情况下，当非线性光学晶体1A、1B和分离镜6安排成在围绕激光束3的光轴旋转大约45度时，从相应的非线性光学晶体1A、1B发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面基本上相等(相对于反射镜21、21A的反射面)。因此，偏振状态转换装置可以省去。甚至在此情况下，由于波长转换激光器配备有诸如四分之一波长盘19之类的圆偏振装置，圆偏振波长已经转换的激光束以第八个实施例描述的同样的方式被聚集和辐射在工件17上，因此，产生了一个优点：能够稳定地执行均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
相应的实施例描述了使用Nd(钕):YAG激光器作为激光源2的情况，该激光器用于产生1064nm的随机偏振基本激光束3。然而，激光源2的类型不仅限于Nd(钕):YAG。例如，可以使用诸如氩激光器或准分子激光器之类的气体激光器，或诸如染料激光器之类的液体激光器，以及诸如Nd:YLF激光器、Nd:YVO4激光器或Ti:AL2O3(钛蓝宝石)激光器之类的固态激光器。然而，可能常常会产生这样的情况：与Nd:YVO4激光器的情况相同，激光器会影响线性偏振振动，但不会导致任何随机偏振的振动。然而，只要固态激光器介质的切削方向在一个不同于通常剪切介质的方向的方向中对齐，可以导致随机偏振振动。
相应的实施例显示了这样的情况：按第二类型的相位匹配产生二次谐波的非线性光学晶体用作为波长转换晶体1A、1B。然而，由于使用随机偏振基本激光束3，相位匹配的类型可以是类型1，在这样的情况下，产生了与相应的实施例中产生的优点相同的优点。
相应的实施例显示了这样的情况：通过第二类型的相位匹配产生二次谐波的硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)作为波长转换晶体1A、1B。然而，要产生的波长转换激光束不仅限于二次谐波。例如，也可以使用三次谐波、四次谐波、五次谐波、和频率或差频率，在每一种情况下，产生了与相应的实施例中产生的优点相同的优点。
此外，用于波长转换的非线性光学晶体(波长转换晶体)1A、1B不仅限于硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)。例如，还可以使用硼酸锂铯(化学分子式：CsLiB6O10，简化名称：CLBO)晶体；硼酸铯(化学分子式：CsB3O5，简化名称：CBO)晶体；β-硼酸钡(化学分子式：-BaB2O4，简化名称：BBO)晶体；羟基硼酸钙钇钆(化学分子式：GdxY1-xCa4(BO3)3)，简化名称：GdYCOB)晶体，或磷酸钛钾(化学分子式：KTiOPO4，简化名称：KTP)等等，在每一种情况下，都产生了与相应的实施例中产生的优点相同的优点。
相应的实施例显示了同一种类型的晶体用作波长转换晶体1A、1B的情况。然而，也可以使用不同类型的晶体组合；例如，使用硼酸锂晶体(化学分子式：LiB3O5)作为波长转换晶体1A，使用硼酸锂铯(化学分子式：CsLiB6O10，简化为：CLBO)晶体作为波长转换晶体1B。在此情况下，唯一的要求是这样摆放波长转换晶体1A、1B，以便从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的偏振方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约90度)。具体来说，唯一的要求是这样摆放波长转换晶体1A、1B，以便从波长转换晶体1A发出的并进入波长转换晶体1B的波长已经转换的激光束的偏振方向与从波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约90度)[换句话说，要产生其偏振方向相差45度到90度(理想情况下大约90度)的波长已经转换的激光束3C]。在每一种情况下，产生了与相应的实施例中产生的优点相同的优点。
此外，还可以使用在波长转换效率方面优于波长转换晶体1A的晶体作为波长转换晶体1B。结果，甚至在非线性光学晶体1A、1B在相对于激光束通过各晶体的方向具有相同长度的情况下，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的功率和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的功率彼此接近，从而产生这样的优点：能够使波长已经转换的激光束3C处于接近于各向同性的偏振状态。
相应的实施例显示了不使用聚光透镜的波长转换激光器的配置。然而，聚光透镜可以插入在激光源2和波长转换晶体1A之间或插入在波长转换晶体1A、1B之间。除了产生相应的实施例的优点之外，还可以调整进入波长转换晶体1A、1B的基本激光束的直径。因此，可以使从位于前级的波长转换晶体1A发出的波长已经转换的激光束的功率和从位于后级的波长转换晶体1B发出的波长已经转换的激光束的功率彼此更接近，从而产生这样的优点：能够使波长已经转换的激光束3C处于接近于各向同性的偏振状态。
相应的实施例描述了这样的激光辐射器件的情况：聚光光学系统14插入在反射镜12和工作台18(即，工件17)之间。然而，聚光光学系统14可以插入在分离镜6和反射镜12之间。此外，波长转换激光器还可以进一步配备有例如用于使射束均匀的元件，如目镜，或用于只允许激光束的中心通过的屏蔽。除了产生与相应的实施例中产生的优点相同的优点外，还产生了能够稳定地执行更均匀的机械加工的优点。
相应的实施例描述了这样的情况：波长转换器使基本激光束沿一个方向传播，由此通过使用用于进行波长转换的非线性光学晶体(即，波长转换晶体1A、1B)将激光束进行波长转换。具体来说，各实施例描述了激光束在用于产生基本激光束的共振器外面进行波长转换的情况。然而，本发明不仅限于这些实施例。可以采用任何配置的波长转换设备，只要该配置具有串联的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，并使基本激光束通过该两个非线性光学晶体，由此通过使用该非线性光学晶体将激光束进行波长转换，以便偏振方向彼此相差45度到90度(理想情况下相差大约90度)。
如上所述，使基本激光束通过串联的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而由该两个非线性光学晶体产生波长已经转换的激光束(其偏振方向彼此相差45度到90度)。因此，产生了一个优点：能够稳定地执行均匀的机械加工，而不取决于偏振方向。
激光束机械加工设备包括激光源，用于产生基本激光束；波长转换器，该波长转换器具有彼此串联的两个非线性光学晶体，并使基本激光束通过该两个非线性光学晶体，在此基本激光束接受波长转换，以便各晶体的晶体方向轴彼此相差45度到90度；以及激光辐射器件，用于将工件暴露于已经由波长转换器进行了波长转换的激光束。因此，产生了一个优点：能够稳定地执行均匀的机械加工操作，而不取决于偏振方向。

Claims (13)

1.一种通过使用非线性光学晶体使基本激光束沿一个方向传播的波长转换方法，包括下列步骤：
通过随机偏振的基本激光束执行波长转换，该基本激光束按顺序通过串联设置的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，
产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45到90度，其中
使得所述两个非线性光学晶体中的第二个非线性光学晶体的沿基本激光束通过的方向定义的长度比该两个非线性光学晶体中的第一个非线性光学晶体的沿基本激光束通过的方向定义的长度要长。
2.根据权利要求1所述的波长转换方法，其中，波长已经转换的激光束的偏振方向彼此相差大约90度。
3.根据权利要求1所述的波长转换方法，其中，转换所述波长已经转换的激光束的偏振状态，以便从相应的非线性光学晶体发出的波长已经转换的激光束在“s”偏振光分量和“p”偏振光分量之间的比率方面相对于激光束将要进入的表面基本上相等。
4.根据权利要求3所述的波长转换方法，其中，使其偏振状态已经被转换的所述波长已经转换的激光束进入反射器件，用于允许激光束的一部分通过，由此监视已经通过该反射器件的波长已经转换的激光束的射束参数或已经由该反射器件反射的波长已经转换的激光束的射束参数。
5.根据权利要求4所述的波长转换方法，其中，要监视的射束参数是功率或射束剖面。
6.一种波长转换激光器，其使用用于进行波长转换的非线性光学晶体，通过使基本激光束沿一个方向传播来对基本激光束进行波长转换，其中：
两个非线性光学晶体彼此串联设置，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴相差45度到90度，使随机偏振的基本激光束按顺序通过该两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度，其中
在相对于激光束通过所述非线性光学晶体的方向，使基本激光束其后通过其的非线性光学晶体的长度比基本激光束首先通过其的非线性光学晶体的长度要长。
7.根据权利要求6所述的波长转换激光器，其中，所述两个非线性光学晶体这样安排，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴相差大约90度，并产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差大约90度。
8.根据权利要求6所述的波长转换激光器，还包括：
圆偏振装置，用于将所述波长已经转换的激光束转换为圆偏振光。
9.根据权利要求6所述的波长转换激光器，还包括：
用于产生随机偏振的基本激光束的基本激光源；
两个非线性光学晶体，它们彼此串联设置，以便当相对于激光束的光轴的方向观察时，各晶体的晶体方向轴沿相同方向或沿大约180度的相反方向对齐；以及
位于两个非线性光学晶体之间的偏振方向旋转装置，该装置将所述波长已经转换的激光束的偏振方向旋转45度到90度，其中，使随机偏振的基本激光束按顺序通过所述两个非线性光学晶体，由此产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度。
10.根据权利要求9所述的波长转换激光器，其中，偏振方向旋转装置将波长已经转换的激光束的偏振方向旋转大约90度，并产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差大约90度。
11.根据权利要求9所述的波长转换激光器，其中，在相对于激光束通过的方向，使基本激光束其后通过其的非线性光学晶体的长度比基本激光束首先通过其的非线性光学晶体的长度要长。
12.根据权利要求9所述的波长转换激光器，还包括：
圆偏振装置，用于将所述波长已经转换的激光束转换为圆偏振光。
13.一种激光束机械加工方法，
其中，使随机偏振的基本激光束按顺序穿过串联设置的、用于进行波长转换的两个非线性光学晶体，从而产生波长已经转换的激光束，其偏振方向彼此相差45度到90度；并且其中，在所述波长已经转换的激光束被转换为圆偏振光之后将其辐射在工件上，其中
使得所述两个非线性光学晶体中的第二个非线性光学晶体的沿基本激光束通过的方向定义的长度比该两个非线性光学晶体中的第一个非线性光学晶体的沿基本激光束通过的方向定义的长度要长。
CNB2004100476048A 2003-05-26 2004-05-26 波长转换方法、波长转换激光器以及激光束机械加工设备 Expired - Fee Related CN1332262C (zh)

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003147402 2003-05-26
JP147402/2003 2003-05-26
JP2003147403 2003-05-26
JP147403/2003 2003-05-26
JP2004025741A JP4265424B2 (ja) 2003-05-26 2004-02-02 波長変換方法、波長変換レーザ装置、およびレーザ加工装置
JP025741/2004 2004-02-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1619404A CN1619404A (zh) 2005-05-25
CN1332262C true CN1332262C (zh) 2007-08-15

Family

ID=33458371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004100476048A Expired - Fee Related CN1332262C (zh) 2003-05-26 2004-05-26 波长转换方法、波长转换激光器以及激光束机械加工设备

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7286282B2 (zh)
CN (1) CN1332262C (zh)
TW (1) TWI255961B (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100956339B1 (ko) * 2003-02-25 2010-05-06 삼성전자주식회사 규소 결정화 시스템 및 규소 결정화 방법
JP2005107449A (ja) * 2003-10-02 2005-04-21 National Institute Of Information & Communication Technology 偶数個の非線形結晶を用いた緑色コヒーレント光の発生装置
US7583431B2 (en) * 2005-02-25 2009-09-01 Panasonic Corporation Wavelength conversion optical device, laser light source, and image display optical device
JP4911494B2 (ja) * 2006-03-18 2012-04-04 国立大学法人大阪大学 波長変換光学素子、波長変換光学素子の製造方法、波長変換装置、紫外線レーザ照射装置およびレーザ加工装置
KR100764424B1 (ko) * 2006-08-30 2007-10-05 삼성전기주식회사 파장변환 레이저 장치 및 이에 사용되는 비선형 광학결정
US20100054286A1 (en) * 2006-10-31 2010-03-04 Gladding Christopher J Semiconductor Diode Pumped Laser Using Heating-Only Power Stabilization
DE102007002821A1 (de) * 2007-01-19 2008-07-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Anordnung zur Frequenzkonvertierung kohärenter optischer Strahlung
US8102593B2 (en) * 2007-08-07 2012-01-24 Onyx Optics, Inc. Quasi non-critical phase matched and contra-phase matched structures
EP2317377B1 (en) * 2009-10-14 2013-07-24 Advalight ApS High-power electromagnetic sum frequency generator system
JP5964621B2 (ja) * 2012-03-16 2016-08-03 株式会社ディスコ レーザー加工装置
US10114157B2 (en) * 2012-09-20 2018-10-30 Applied Materials, Inc. Pulse width controller
JP6456250B2 (ja) * 2014-08-29 2019-01-23 三菱電機株式会社 レーザ装置およびレーザ加工機
AU2015317799B2 (en) * 2014-09-16 2020-05-14 Ipg Photonics Corporation RGB laser source for luminaire projector system
JP6987453B2 (ja) * 2018-01-29 2022-01-05 住友重機械工業株式会社 評価装置、及び評価方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5142607B1 (zh) * 1972-02-15 1976-11-17
JPH04330425A (ja) * 1991-02-28 1992-11-18 Fuji Photo Film Co Ltd 光波長変換装置
JPH08171107A (ja) * 1994-12-15 1996-07-02 Nec Corp 光波長変換装置
JPH11119272A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Hyper Photon System:Kk レーザシステム
JP2001056491A (ja) * 1999-08-18 2001-02-27 Japan Atom Energy Res Inst レーザー光の波長変換法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4272694A (en) * 1979-11-15 1981-06-09 The University Of Rochester System for converting the frequency of coherent radiation
US5117126A (en) * 1990-06-27 1992-05-26 La Sen, Inc. Stacked optical parametric oscillator
US5315433A (en) 1991-02-28 1994-05-24 Fuji Photo Film Co., Ltd. Optical wavelength converting apparatus
JPH05142607A (ja) 1991-11-20 1993-06-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光高調波発生装置
US5247389A (en) * 1992-06-15 1993-09-21 Cygnus Laser Corporation Nonlinear optical frequency converter
JPH06110098A (ja) 1992-09-28 1994-04-22 Fuji Photo Film Co Ltd 光波長変換装置
JPH07120797A (ja) * 1993-10-19 1995-05-12 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 波長変換装置
US5467214A (en) * 1993-11-12 1995-11-14 Trw Inc. Birefringence-compensated alignment-insensitive frequency doubler
US5477378A (en) * 1994-08-11 1995-12-19 Spectra-Physics Lasers, Inc. Multiple crystal non-linear frequency conversion apparatus
DE19527337A1 (de) * 1995-07-26 1997-01-30 Adlas Lasertech Gmbh & Co Kg Laser mit Frequenzvervielfachung
US5732095A (en) * 1996-09-20 1998-03-24 Hewlett-Packard Company Dual harmonic-wavelength split-frequency laser
JP3944959B2 (ja) 1997-07-25 2007-07-18 三菱電機株式会社 波長変換レーザ装置
JP2000176669A (ja) 1998-12-17 2000-06-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ切断装置
US6563641B2 (en) * 2000-06-23 2003-05-13 Cirvine Corporation Fold interleaver
DE10143709A1 (de) * 2001-08-31 2003-04-03 Jenoptik Laser Optik Sys Gmbh Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen
US6791753B1 (en) * 2002-03-18 2004-09-14 Alliance Fiber Optic Products, Inc. Retro-reflective fiber optic interleaver

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5142607B1 (zh) * 1972-02-15 1976-11-17
JPH04330425A (ja) * 1991-02-28 1992-11-18 Fuji Photo Film Co Ltd 光波長変換装置
JPH08171107A (ja) * 1994-12-15 1996-07-02 Nec Corp 光波長変換装置
JPH11119272A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Hyper Photon System:Kk レーザシステム
JP2001056491A (ja) * 1999-08-18 2001-02-27 Japan Atom Energy Res Inst レーザー光の波長変換法

Also Published As

Publication number Publication date
CN1619404A (zh) 2005-05-25
US7286282B2 (en) 2007-10-23
TW200506475A (en) 2005-02-16
US20040240492A1 (en) 2004-12-02
TWI255961B (en) 2006-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1332262C (zh) 波长转换方法、波长转换激光器以及激光束机械加工设备
Negel et al. Ultrafast thin-disk multipass laser amplifier delivering 1.4 kW (4.7 mJ, 1030 nm) average power converted to 820 W at 515 nm and 234 W at 343 nm
US9318869B2 (en) 193nm laser and inspection system
US7920606B2 (en) Frequency-tripled fiber MOPA
US10175555B2 (en) 183 nm CW laser and inspection system
US6614584B1 (en) Laser frequency converter with automatic phase matching adjustment
Webb et al. Wavelength insensitive phase-matched second-harmonic generation in partially deuterated KDP
CN102292671A (zh) 延长受强激光束辐射的非线性光学系统使用寿命的设备和包括该设备的非线性光源
CA2785243A1 (en) Ultrafast raman laser systems and methods of operation
CN102957082A (zh) 使用激光二极管光学泵浦模块的飞秒激光器设备
US11126063B2 (en) Nonlinear optical crystal with corrected phase matching angle
CN112688147B (zh) 预啁啾管理飞秒激光脉冲放大装置和系统
Löhring et al. Key optical components for spaceborne lasers
Beaud et al. Multi-terawatt femtosecond Cr: LiSAF laser
CN103296577A (zh) 卫星测距用kHz绿光皮秒激光器
CN101625500A (zh) 超短脉冲时间净化装置
US5852620A (en) Tunable time plate
Barker et al. Design and performance of the Beamlet laser third-harmonic frequency converter
Cui et al. 70-W average-power doubly resonant optical parametric oscillator at 2 μm with single KTP
CN208847858U (zh) 一种大尺寸真零级光学波片及应用其的激光装置
Ren et al. True zero-order crystal wave-plate made of ADP crystal
JP4265424B2 (ja) 波長変換方法、波長変換レーザ装置、およびレーザ加工装置
US5264959A (en) Temperature-insensitive phase-matched optical harmonic conversion crystal
KR100633626B1 (ko) 파장 변환 방법 및 파장 변환 레이저와 레이저빔 가공 방법
CN117220124B (zh) 一种高能量高重频纳秒激光系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070815

Termination date: 20170526