一种激光光路分光系统及其方法
【专利摘要】本发明描述一种激光光路分光系统及其方法，其包括至少一光束偏振态微调装置和一分光装置，所述光束偏振态微调装置上装夹一镜片组，该镜片组包括一TFP镜片和一反射镜。该系统及其方法主要是利用TFP镜片进行分光，并且通过旋转光束偏振态微调装置对入射至TFP镜片上的入射光偏振状态进行微调，最终达到分光后两光束能量的平衡。
【专利说明】一种激光光路分光系统及其方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及一种激光光路分光系统以及对应的方法。
【【背景技术】】
[0002]随着激光技术的不断发展，激光加工越来越成为一种主流加工方式。同时,材料加工与准分子光刻、医疗美容、仪器与传感器等市场不断提出的苛刻加工要求，给激光加工提供了成长的空间和环境。
[0003]目前，对于两轴以上的多轴激光加工设备，为了便于操控、缩小各轴间加工品质的个体差异以及降低生产成 本等，激光加工设备通常以一个激光器作为镭射光源，并在光路系统中进行分光以实现多轴加工。激光加工设备光路系统的分光方式有多种，主要因激光波长和实际情况而异。最常见的分光方式有分光镜分光、利用不同波长激光与各类晶体作用而分光等方式。
[0004]对于分光镜分光而言，分光镜不能充分保证分光后两条光路系统的能量达到平衡。对于各个轴间能量差异要求不严格的激光加工设备来说，这种方式是比较经济可行的；但对于精加工的激光加工设备而言，各轴间能量的微小差异将严重影响加工品质，因此这种分光方式的使用受到限制。
[0005]对于激光与各类晶体作用而分光的这类方式，一般情况下是离不开电气控制的，另外还可能有冷却系统等附加结构，例如AOM (Acousto-Optic Modulator)分光。这类分光方式因激光需与晶体相互作用，晶体本身会吸收部分激光能量，虽然有冷却系统对晶体进行冷却，但不能完全消除热影响。热影响使晶体产生热透镜效应而破坏光束品质，并且热效应会影响到分光后光束能量的稳定性。因此，这类分光方式其效果也不太理想。
【
【发明内容】
】
[0006]基于上述常见分光方式分光后带来的两条光路系统激光能量的不平衡、分光后光束品质被破坏及能量稳定性受到影响等现象，发明了本激光光路分光系统及其分光方法。
[0007]本发明所提供的一种激光光路分光系统，其包括至少一光束偏振态微调装置和一分光装置，所述光束偏振态微调装置上装夹一镜片组，该镜片组包括一 TFP镜片和一反射镜。
[0008]其中，所述TFP镜片采用ZnSe作为基材。
[0009]其中，还包括对应所述镜片组设置的一光接收器。
[0010]其中，该系统还包括若干光学偏振镜片。
[0011]其中，沿着光路的传播方向，所述光束偏振态微调装置前设置一偏振态的转换结构。
[0012]对应上述系统，提供一种激光光路分光方法:首先，将激光光束的分光经过至少一光束偏振态微调装置和一分光装置，所述光束偏振态微调装置上装夹一镜片组，该镜片组包括一 TFP镜片和一反射镜，其中光束经过所述TFP镜片后，透射光向所述分光镜传播，所述反射光由所述反射镜反射。
[0013]其中，光束经所述反射镜反射后，并由一光接收器吸收。
[0014]其中，激光光束在所述光束偏振态微调装置向所述分光装置传播的过程中，可由若干光学偏振镜片调节光束的偏振状态。
[0015]其中，若入射光束为水平线偏振或者垂直线偏振，沿着光束的传播方向于所述光束偏振态微调装置添加一偏振态转换结构将光束转换成符合TFP镜片的线偏振光束。
[0016]该系统及其方法主要是利用TFP (Thin Film Polarizers)镜片对P-pol光束的基本全透射及对S-pol光束的基本全反射功能对光束进行分光。并且，通过旋转光束偏振态微调装置对入射至TFP镜片上的入射光偏振状态进行微调，最终达到分光后两光束能量的平衡。
[0017]通常情况下，为了满足某些功能要求，在光束偏振态微调装置与分光装置之间还会放置多个反射镜、透镜等不以改变光束偏振状态为基本功能的普通光学镜片。这些镜片或多或少地会影响入射至TFP分光镜上的光束偏振态。此时，通过旋转微调装置则会解决加入这些常规镜片带来的分光后两光束能量不平衡的问题。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0018]下面参照附图结合实施方式对本发明方法作进一步的描述。
[0019]图1是本发明激光光路分光系统及其方法的光束偏振态微调装置示意图；
[0020]图2是本发明激光光路分光系统及其方法的工作原理图；
[0021]图3是本发明激光光路分光系统及其方法的光束偏振态转换结构示意图一；
[0022]图4是本发明激光光路分光系统及其方法的光束偏振态转换结构示意图二。
【【具体实施方式】】
[0023]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0024]为本发明的目的、技术方案及优点更加清楚表达，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]本发明的实施例1提供了一种激光光路分光系统，包括至少一光束偏振态微调装置100和一分光装置200。
[0026]光束偏振态微调装置100上装夹一镜片组，该镜片组包括一 TFP镜片101和一反射镜102。
[0027]TFP镜片101采用ZnSe作为基材，以降低使用过程中的热效应，同时ZnSe作为基材的镜片也具有较高平面度的薄平面镜片。
[0028]该光束偏振态微调装置100还包括对应镜片组设置的一光接收器103。由于TFP镜片不能百分之百全透过45°线偏振光束，相对于该TFP镜片而言，入射光束为P-pol光束，因此对应镜片组设置的一光接收器103，以吸收多余激光。
[0029]该分光系统还包括若干光学偏振镜片300。其设置在光束偏振态微调装置100和分光装置200之间，其包括多个反射镜、透镜等不以改变光束偏振状态未基本功能的光学镜片。具体地，为了得到特定的光程长度或满足指定大小的光斑等，中间必然会有多件用于光路传输的反射镜片及用于扩、缩束的透镜等，这些镜片上镀的反射膜层或者增透膜层会使经过光学镜片300后的光束引入附加相位。
[0030]在实际实施本分光方法过程中，虽然分光装置200上的TFP镜片对P-pol光束FG的透过率和对S-pol光束FH的反射率均在98%以上，但两者不可能完全相同。因此，如果入射至分光装置11上的入射光束为45°线偏振光束则不能满足分光后两光路系统能量完全平衡；另外，激光经过光束偏振态微调装置100传输到分光装置200的过程中，为了得到特定的光程长度以及满足指定大小的光斑等，中间必然会有多件用于光路传输的反射镜片及用于扩、缩束的透镜等，这些镜片上镀的反射膜层或者增透膜层会使经过光学镜片300后的光束引入附加相位，进而影响光束的偏振态。这一影响使光束以某一非45°线偏振状态入射至分光装置200上，以这一状态入射至分光装置11上并不能保证分光后两光路系统的能量完全平衡。
[0031]此时，必须通过旋转微调装置100则会解决加入这些常规镜片带来的分光后两光束能量不平衡的问题。
[0032]该分光系统还包括偏振态转换结构400，设置在光束偏振态微调装置100前，对于偏振态为水平线偏振或者垂直线偏振的入射光束，经过该装置的光束将转换成45°或-45°线偏振光束，如图3所示
[0033]对于圆偏振光，要根据激光器内部光路的具体情况来设置偏振态转换结构。
[0034]基于上述的激光光路分光系统，实施例2对应提供一种激光光路分光方法。
[0035]首先，将激光光束的分光经过至少一光束偏振态微调装置100和一分光装置200，光束偏振态微调装置100上装夹一镜片组，该镜片组包括一 TFP镜片101和一反射镜102，其中光束经过一 TFP镜片101后，透射光BD向分光镜200传播，而反射光BC由反射镜102反射。
[0036]在实施本方法过程中，首先必须判断光路系统的光束偏振状态.对于进入光束偏振态微调装置100的光束为45°或-45°线偏振光束，则可直接把光束引入到光束偏振态微调装置100上实现本发明方法的光路系统分光，如图1所示。
[0037]但是，在光束的因TFP不能百分之百全透过45°线偏振光束，相对于该TFP镜片而言，入射光束为P-pol光束，因此，必须增加杂、散光接收器103以吸收多余激光。
[0038]需要特别注意的是，光束偏振态微调装置100上的TFP镜片101的入射平面，即图1中的光束反射传输所形成ABC平面必须平行于入射光束的偏振方向；对于入射至TFP镜片I上的光束其入射角必须为Brewster角。因TFP镜片的材料为ZnSe，其对9.4um波长激光的折射率η为2.41，故Brewster角为:
[0039]Θ Brewster = tan_1n=67.5°
[0040]在实际实施本分光方法过程中，虽然分光装置200上的TFP镜片对P-pol光束的透过率和对S-pol光束的反射率均在98%以上，但两者不可能完全相同。因此，如果入射至分光装置200上的入射光束为45°线偏振光束则不能满足分光后两光路系统能量完全平衡；另外，激光经过光束偏振态微调装置100传输到分光装置200的过程中，中间必然会有多件用于光路传输的镜片或为满足某些功能要求增加的光学镜片300，这些镜片或多或少的会改变传输至分光装置200上的45°线偏振光的偏振状态。
[0041]基于以上两个事实，我们必须微调光束偏振态微调装置100，使入射至分光装置200上的入射光以某种偏振状态45° -β入射，如图2所示，假设在该偏振状态下能完全满足分光后两光路系统能量的平衡。在该偏振状态下，45° -β线偏振入射光分量9作为P-pol光束被TFP镜片透射,假设透过el,反射e2, el远大于e2 ;45° - β线偏振入射光分量10作为S-pol光束被TFP镜片反射，假设反射E1，透过E2，El远大于E2。则必然有:
[0042]el+E2 = e2+El
[0043]例如,往顺时针方向微调光束偏振态微调装置100 α度,则此时对于光束偏振态微调装置100来说，其TFP镜片101的入射平面6与45°线偏振入射光4的偏振方向夹角为α。那么，45°线偏振入射光分量5作为S-pol光束，绝大部分将被反射至杂、散光接收器3上吸收掉，而45°线偏振入射光分量7作为P-pol光束透射并入射至分光装置200上。当微调光束偏振态微调装置2与分光装置11之间没有任何光学镜片时，则45°线偏振入射光分量7即为45° -β线偏振光，SP
[0044]α = β
[0045]当微调光束偏振态微调装置100与分光装置200之间有光学镜片时，则
[0046]β = a + y
[0047]Y角度的正负取决于光学镜片300是怎样影响入射至分光装置11上的光束偏振状态。在本例中，如果顺时针引入偏振，则取正号；逆时针引入偏振，则取负号。
[0048]对于偏振态为水平线偏振或者垂直线偏振的入射光束，可通过在光束偏振态微调装置2前增加一个偏振态转换结构，如图3所示，经过该装置的光束将转换成45°或-45°线偏振光束。
[0049]对于圆偏振光，要根据激光器内部光路的具体情况来设计偏振态转换结构。
【权利要求】
1.一种激光光路分光系统,其特征包括至少一光束偏振态微调装置和一分光装置,所述光束偏振态微调装置上装夹一镜片组，该镜片组包括一 TFP镜片和一反射镜。
2.根据权利要求1所述的激光光路分光系统，其特征在于:所述TFP镜片采用ZnSe作为基材。
3.根据权利要求1或2所述的激光光路分光系统，其特征在于:还包括对应所述镜片组设置的一光接收器。
4.根据权利要求1所述的激光光路分光系统，其特征在于:该系统还包括若干光学偏振镜片。
5.根据权利要求1所述激光光路分光系统，其特征在于:沿着光路的传播方向，所述光束偏振态微调装置前设置一偏振态的转换结构。
6.一种激光光路分光方法，其特征在于:首先，将激光光束的分光经过至少一光束偏振态微调装置和一分光装置，所述光束偏振态微调装置上装夹一镜片组，该镜片组包括一TFP镜片和一反射镜，其中光束经过所述TFP镜片后，透射光向所述分光镜传播，所述反射光由所述反射镜反射。
7.根据权利要求6的激光光路分光方法,其特征在于:光束经所述反射镜反射后，并由一光接收器吸收。
8.根据权利要求6或7的激光光路分光方法,其特征在于:激光光束在所述光束偏振态微调装置向所述分光装置传播的过程中，可由若干光学偏振镜片调节光束的偏振状态。
9.根据权利要求4的激光光路分光方法,其特征在于:若入射光束为水平线偏振或者垂直线偏振，沿着光束的传播方向于所述光束偏振态微调装置添加一偏振态转换结构将光束转换成符合TFP镜片的线偏振光束。
【文档编号】B23K26/067GK103447690SQ201210176910
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】郭裕强, 李强, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司, 深圳市大族数控科技有限公司