專利名稱：可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光會(huì)聚裝置，特別涉及一種可以改變?nèi)肷浣嵌鹊募す鈺?huì)聚裝置。

背景技術(shù)：
世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年，我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，40多年來(lái)，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如激光加工、檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術(shù)與新學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場(chǎng)，其橫截面的振幅呈高斯分布，故稱高斯光束。高斯光束相對(duì)于普通非高斯光有其獨(dú)特的特點(diǎn)，其中很重要的特點(diǎn)就是高斯光束存在束腰，在束腰位置高斯光束的等相位面為垂直于光束傳播方向的平面，此時(shí)激光可以看作是平行光。
高斯光束能聚焦成極小的光斑，其極限可以小到波長(zhǎng)的量級(jí)，因此功率密度極高，可用于打孔、切割和焊接等多種加工，也非常適合高密度信息存儲(chǔ)。激光聚焦之后的束腰位置就是激光能量密度最高處，大部分應(yīng)用中，都是將需要加工的表面定位在此束腰位置。
如果利用激光的過(guò)程中，需要使激光斜入射，就涉及到激光入射角的調(diào)節(jié)問(wèn)題。傳統(tǒng)的同軸會(huì)聚方法聚光鏡的光軸與樣品表面成一定角度，入射激光與會(huì)聚透鏡的光軸重合，此時(shí)聚光鏡光軸與樣品表面的夾角就是激光入射角。若要改變?nèi)肷浣牵鸵淖兙酃忡R光軸，而且在調(diào)節(jié)聚光鏡的同時(shí)為了保證激光與會(huì)聚透鏡光軸重合也需要調(diào)節(jié)激光光路。同軸會(huì)聚方法所需要的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，而且調(diào)節(jié)過(guò)程中要保持會(huì)聚點(diǎn)位置固定不變也很困難，不能做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此需要一種更好的調(diào)節(jié)激光入射角的裝置。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種可改變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)聚點(diǎn)的位置不變的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，特點(diǎn)在于由擴(kuò)束鏡、平面反射鏡和會(huì)聚透鏡構(gòu)成，所述的平面反射鏡固定在一個(gè)平移臺(tái)上，所述的平面反射鏡的反射面與所述的擴(kuò)束鏡的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡在所述的平移臺(tái)帶動(dòng)下沿激光入射方向做平移運(yùn)動(dòng)；所述的平面反射鏡的反射光束通過(guò)所述的會(huì)聚透鏡會(huì)聚后照射在樣品上。
所述的擴(kuò)束鏡是固定倍率激光擴(kuò)束鏡。所述的擴(kuò)束鏡是變倍激光擴(kuò)束鏡，改變擴(kuò)束鏡的倍率，可改變會(huì)聚點(diǎn)的大小。
所述的會(huì)聚透鏡至少由一塊透鏡組成，該會(huì)聚透鏡具有較大的通光孔徑。
在所述的會(huì)聚透鏡和樣品之間設(shè)一塊平凸透鏡，該平凸透鏡和樣品之間填充有折射率相匹配的折射率油。
利用所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置調(diào)變激光入射角度的方法，包括如下步驟 ①首先調(diào)整激光束和所述的擴(kuò)束鏡，使激光束和所述的擴(kuò)束鏡同軸；然后調(diào)節(jié)所述的平面反射鏡和所述的會(huì)聚透鏡，使所述的平面反射鏡反射的激光束與所述的會(huì)聚透鏡同軸； ②此時(shí)在所述的會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)得到激光束的會(huì)聚點(diǎn)，將該會(huì)聚點(diǎn)移至樣品的激光入射點(diǎn)，激光入射角即為所述的會(huì)聚透鏡的光軸與樣品在會(huì)聚點(diǎn)處的法線的夾角，設(shè)為β； ③驅(qū)動(dòng)所述的平移臺(tái)，平移所述的平面反射鏡，使其移動(dòng)距離L，則利用下列公式即可計(jì)算出激光束的入射角θ 式中f為會(huì)聚透鏡的焦距，平面反射鏡遠(yuǎn)離樣品在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)，取+號(hào)，接近樣品在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)取-號(hào)。
所述的激光束的入射角θ可調(diào)整的變化范圍為 其中D為會(huì)聚透鏡的通光孔徑，d為擴(kuò)束后激光束的直徑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明的調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方法僅將平面反射鏡平移就可以達(dá)到改變激光入射角的目的；由于平面反射鏡反射的激光束為平行光，因此在平移平面反射鏡的過(guò)程中，由會(huì)聚透鏡會(huì)聚的激光光點(diǎn)始終位于會(huì)聚透鏡的后焦點(diǎn)上，無(wú)需再增加光點(diǎn)位置調(diào)節(jié)裝置；會(huì)聚光斑大小可變，通過(guò)改變擴(kuò)束鏡的倍率即可改變會(huì)聚光斑的大小；角度的可變范圍與會(huì)聚透鏡的通光孔徑及焦距f有關(guān)，只要增加會(huì)聚透鏡的通光孔徑或減小其焦距，即可增大θ角的變化范圍，實(shí)現(xiàn)大范圍角度可調(diào)。
總之，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)聚點(diǎn)的位置不變的特點(diǎn)。



圖1為本發(fā)明改變會(huì)聚激光入射角的原理圖； 圖2是本發(fā)明裝置的第一個(gè)較佳實(shí)施例的第一個(gè)狀態(tài)圖； 圖3是本發(fā)明裝置的第一個(gè)較佳實(shí)施例的第二個(gè)狀態(tài)圖； 圖4是本發(fā)明裝置的第二個(gè)較佳實(shí)施例示意圖；
具體實(shí)施例方式 下面參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明裝置的原理圖，本裝置包括三部分 1、一個(gè)擴(kuò)束鏡1，該擴(kuò)束鏡是可變倍率激光擴(kuò)束鏡，也可以是固定倍率激光擴(kuò)束鏡，改變擴(kuò)束鏡1的擴(kuò)束倍率可改變會(huì)聚光束的數(shù)值孔徑，達(dá)到改變會(huì)聚點(diǎn)大小的目的； 2、一個(gè)平面反射鏡2，該平面反射鏡固定在一平移臺(tái)上，可以隨一平移臺(tái)沿激光入射方向做平移運(yùn)動(dòng)； 3、一個(gè)會(huì)聚透鏡3，該會(huì)聚透鏡至少由一塊透鏡組成，該會(huì)聚透鏡具有大通光孔徑的特點(diǎn)，其后焦點(diǎn)為激光束腰位置，也是本裝置的工作點(diǎn)。放置樣品4，使其需要激光照射的點(diǎn)落在會(huì)聚透鏡3的后焦點(diǎn)上。
應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行激光會(huì)聚并調(diào)整角度的步驟如下 首先調(diào)整激光束和擴(kuò)束鏡1，使激光束和擴(kuò)束鏡1同軸；然后調(diào)節(jié)平面反射鏡2和會(huì)聚透鏡3，使反射的激光束與會(huì)聚透鏡3同軸； 此時(shí)在會(huì)聚透鏡3后焦點(diǎn)得到激光會(huì)聚點(diǎn)，激光入射角即為會(huì)聚透鏡3的光軸與樣品4在會(huì)聚點(diǎn)處法線的夾角，設(shè)為β； 改變擴(kuò)束鏡1的倍率，可改變會(huì)聚點(diǎn)的大??； 平移平面反射鏡2，使其移動(dòng)距離L，則根據(jù)下列公式即可計(jì)算出激光束的入射角。
式中f為會(huì)聚透鏡3的焦距，平面反射鏡2遠(yuǎn)離樣品4在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)，取+號(hào)，接近樣品4在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)取-號(hào)。
此公式可變換為 θ角的變化范圍為 其中D為會(huì)聚透鏡3的通光孔徑，d為擴(kuò)束后激光束的直徑。
圖2、圖3是本發(fā)明的第一個(gè)較佳實(shí)施例裝置兩個(gè)狀態(tài)圖。
擴(kuò)束鏡1與入射激光束同軸，激光經(jīng)擴(kuò)束鏡1擴(kuò)束后照射在平面反射鏡2上，平面反射鏡2反射的激光束經(jīng)會(huì)聚透鏡3會(huì)聚在樣品4的下表面上， 參考圖2，擴(kuò)束鏡1還可以是可變倍率的擴(kuò)束鏡，以改變擴(kuò)束后的激光束直徑，從而改變?nèi)肷涞綐悠?上的激光光斑大小。
會(huì)聚透鏡3為大數(shù)值孔徑會(huì)聚透鏡，經(jīng)擴(kuò)束鏡1擴(kuò)束的激光束的直徑比會(huì)聚透鏡3的通光孔徑小。
平面反射鏡2安裝在平移臺(tái)6上，調(diào)整平移臺(tái)6即可帶動(dòng)平面反射鏡2沿激光入射方向或反方向平移，從而改變反射的激光束入射到會(huì)聚透鏡3的位置。圖2和圖3分別為平移臺(tái)6移動(dòng)到不同的位置時(shí)的兩個(gè)狀態(tài)，圖2所示，移動(dòng)平移臺(tái)6使平面反射鏡2反射的激光束通過(guò)會(huì)聚透鏡3的軸心，以此時(shí)平移臺(tái)6的位置為基準(zhǔn)位置，激光入射角為上述的角度β。如圖3所示，移動(dòng)平移臺(tái)6使其偏離基準(zhǔn)位置的距離為L(zhǎng)，則此時(shí)經(jīng)平面反射鏡2反射的激光束與會(huì)聚透鏡3的軸心不重合，使用上述公式即可計(jì)算出入射角θ。
圖4是本發(fā)明裝置的第二個(gè)較佳實(shí)施例的示意圖。對(duì)比圖2、圖3所示的第一個(gè)較佳實(shí)施例，本實(shí)施例增加了一個(gè)平凸透鏡5，平凸透鏡5和樣品4之間填充折射率油7。
平凸透鏡5凸面的球心在樣品4的上表面上，折射率油的折射率與平凸透鏡5及樣品4的基板具有相同的折射率n。本實(shí)施例相對(duì)于實(shí)施例1功能上的區(qū)別在于，實(shí)施例1的聚焦點(diǎn)落在樣品4的下表面，而本實(shí)施例可以使聚焦點(diǎn)落在樣品4的上表面，即平凸透鏡5的凸面球心處。使用平凸透鏡5可以使激光入射角θ的上限值增大，其不會(huì)產(chǎn)生像差且增大了系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，可以得到更小的光斑。折射率油7可以避免激光在平凸透鏡5的平面產(chǎn)生全反射，并增加了激光的透過(guò)率。
根據(jù)實(shí)施例1所述原理，通過(guò)移動(dòng)平移臺(tái)6帶動(dòng)平面反射鏡2平移，即可改變激光的入射角。
權(quán)利要求
1、一種可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，特征在于由擴(kuò)束鏡(1)、平面反射鏡(2)和會(huì)聚透鏡(3)構(gòu)成，所述的平面反射鏡(2)固定在一個(gè)平移臺(tái)(6)上，所述的平面反射鏡(2)的反射面與所述的擴(kuò)束鏡(1)的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡(2)在所述的平移臺(tái)(6)帶動(dòng)下沿激光入射方向做平移運(yùn)動(dòng)；所述的平面反射鏡(2)的反射光束通過(guò)所述的會(huì)聚透鏡(3)會(huì)聚后照射在樣品(4)上。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束鏡(1)是固定倍率激光擴(kuò)束鏡。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，其特征在于所述的擴(kuò)束鏡(1)是變倍激光擴(kuò)束鏡，改變擴(kuò)束鏡(1)的倍率，可改變會(huì)聚點(diǎn)的大小。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，其特征在于所述的會(huì)聚透鏡(3)至少由一塊透鏡組成，該會(huì)聚透鏡具有較大的通光孔徑。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，其特征是在所述的會(huì)聚透鏡(3)和樣品(4)之間設(shè)一塊平凸透鏡(5)，該平凸透鏡(5)和樣品(4)之間填充有折射率相匹配的折射率油(7)。
6、利用權(quán)利要求1所述的可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置調(diào)變激光入角度的方法，其特征在于包括如下步驟
①首先調(diào)整激光束和所述的擴(kuò)束鏡(1)，使激光束和所述的擴(kuò)束鏡(1)同軸；然后調(diào)節(jié)所述的平面反射鏡(2)和所述的會(huì)聚透鏡(3)，使所述的平面反射鏡(2)反射的激光束與所述的會(huì)聚透鏡(3)同軸；
②此時(shí)在所述的會(huì)聚透鏡(3)的后焦點(diǎn)得到激光束的會(huì)聚點(diǎn)，將該會(huì)聚點(diǎn)移至樣品(4)的激光入射點(diǎn)，激光入射角即為所述的會(huì)聚透鏡(3)的光軸與樣品(4)在會(huì)聚點(diǎn)處的法線的夾角，設(shè)為β；
③驅(qū)動(dòng)所述的平移臺(tái)(6)，平移所述的平面反射鏡(2)，使其移動(dòng)距離L，則利用下列公式即可計(jì)算出激光束的入射角θ
其中f為會(huì)聚透鏡(3)的焦距，平面反射鏡(2)遠(yuǎn)離樣品(4)在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)，取+號(hào)，接近樣品(4)在會(huì)聚點(diǎn)處的法線時(shí)取-號(hào)。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的調(diào)變激光入角度的方法，其特征在于所述的激光束的入射角θ的變化范圍為
其中D為會(huì)聚透鏡(3)的通光孔徑，d為擴(kuò)束后激光束的直徑。
全文摘要
一種可變?nèi)肷浣堑募す鈺?huì)聚裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括擴(kuò)束鏡、平面反射鏡和會(huì)聚透鏡，所述的平面反射鏡固定在一個(gè)平移臺(tái)上，所述的平面反射鏡的反射面與所述的擴(kuò)束鏡的出射光束呈一定的角度，所述的平面反射鏡在所述的平移臺(tái)帶動(dòng)下沿激光入射方向做平移運(yùn)動(dòng)；所述的平面反射鏡的反射光束通過(guò)所述的會(huì)聚透鏡會(huì)聚后照射在樣品上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、光斑位置恒定的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B17/08GK101303447SQ20081003893
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者趙成強(qiáng), 徐文東, 李小剛, 洪小剛, 唐曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所