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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410693817.1 (22)申请日 2014.11.26 G02B 27/28(2006.01) (71)申请人 大族激光科技产业集团股份有限公 司 地址 518000 广东省深圳市南山区高新技术 园北区新西路 9 号大族激光大厦 (72)发明人 郭丽 吕启涛 何柏林 高云峰 (74)专利代理机构 广州华进联合专利商标代理 有限公司 44224 代理人 何平 (54) 发明名称 激光合束系统 (57) 摘要 激光合束系统通过第一全反射模块和第二全 反射模块分别将 S 偏振态激光及 P 偏振态激光进 行全反射处理， 使得能够调整入。
2、射 S 偏振态激光 和 P 偏振态激光的水平和垂直。经过全反射处理 的 S 偏振态激光经由第一偏振模块反射到第二偏 振模块后， 由第二偏振模块进行再次反射。经过 全反射处理的 P 偏振态激光则由第二偏振模块折 射到与第二偏振模块反射的 S 偏振态激光的光路 上， 从而完成 S 偏振态激光与 P 偏振态激光的合 束。单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降 低。 因此， S偏振态激光与P偏振态激光的合束后， 频率是单台激光器的两倍， 而平均功率不变。 即相 当于提高了高频下的单脉冲能量， 从而能够提高 激光的加工速度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利。
3、申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104503098 A (43)申请公布日 2015.04.08 CN 104503098 A 1/1 页 2 1.一种激光合束系统， 用于将两束激光合束成一束激光， 其特征在于， 包括第一全反射 模块、 第二全反射模块、 第一偏振模块及第二偏振模块 ； 所述第一全反射模块用于将 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块 ； 所述第一偏振模 块用于将入射的 S 偏振态激光反射到所述第二偏振模块， 所述第二偏振模块用于将入射的 S 偏振态激光反射出去 ； 所述第二全反射模块用于将 P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块 ； 所述第二。
4、偏振模 块用于将入射的 P 偏振态激光折射到与所述第二偏振模块反射的 S 偏振态激光的光路上。 2.根据权利要求 1 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第一全反射模块包括第一 全反射镜和第二全反射镜， 所述第一全反射镜与所述第二全反射镜平行设置， 所述第一全 反射镜用于将入射的所述 S 偏振态激光反射到所述第二全反射镜 ； 所述第二全反射镜用于 将所述第一全反射镜反射出来的 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块。 3.根据权利要求2所述的激光合束系统， 其特征在于， 入射到所述第一全反射镜的S偏 振态激光的入射角为 45； 所述第一全反射镜反射到所述第二全反射镜的 S 偏振态激光的 入射。
5、角为 45。 4.根据权利要求 1 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第二全反射模块包括第三 全反射镜和第四全反射镜， 所述第三全反射镜与所述第四全反射镜平行设置， 所述第三全 反射镜用于将入射的所述 P 偏振态激光反射到所述第四全反射镜 ； 所述第四全反射镜用于 将所述第三全反射镜反射出来的 P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块。 5.根据权利要求4所述的激光合束系统， 其特征在于， 入射到所述第三全反射镜的P偏 振态激光的入射角为 45； 所述第三全反射镜反射到所述第四全反射镜的 P 偏振态激光的 入射角为 45。 6.根据权利要求 1 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第一偏。
6、振模块包括第一偏 振片， 所述第一偏振片用于将所述第一全反射模块反射出来的 S 偏振态激光反射到所述第 二偏振模块。 7.根据权利要求 6 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第二偏振模块包括第二偏 振片， 所述第二偏振片用于将入射的 S 偏振态激光反射出去， 所述第二偏振片用于将所述 第二全反射模块反射出来的P偏振态激光折射到与所述第二偏振片反射的S偏振态激光的 光路上。 8.根据权利要求 7 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第一偏振片与所述第二偏 振片平行设置。 9.根据权利要求7所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第一偏振片反射的S偏振态 激光入射到所述第二偏振片的入射角。
7、为 0.5， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一 偏振片的折射率， n1 为光路所处环境的折射率。 10.根据权利要求 7 所述的激光合束系统， 其特征在于， 所述第一偏振片反射的 S 偏振 态激光入射到所述第二偏振片的入射角为 ， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一偏振片 的折射率， n1 为光路所处环境的折射率。 权 利 要 求 书 CN 104503098 A 2 1/5 页 3 激光合束系统 技术领域 0001 本发明涉及高重复频率状态使用的倍频激光器， 特别是涉及一种将两台倍频激光 器发射的激光进行合束来提高高重复频率下平均输出功率的激光合束系统。 背景技。
8、术 0002 现在倍频激光器在工业微加工领域具有广泛应用， 如工业零部件的打标、 钻孔、 划 片、 焊接、 切割以及医疗器械的微加工、 电子元器件封装、 微型部件立体成型等。 此外在半导 体及微电子学、 光谱分析、 光数据存储、 光盘控制、 大气探测、 光化学、 光生物学、 空间光通讯 及医疗领域有着广泛的应用前景。随着激光器在工业应用上的普及， 工业设备对加工光源 提出了更高的要求， 不仅在加工精度方面， 也包括加工速度要求越来越快。 而倍频激光器由 于其波长短、 聚焦点小的优点， 聚焦点光斑可小到亚微米数量级 , 从而对金属和聚合物的 微处理更具优越性 , 可以进行小部件的加工。以三倍频紫。
9、外激光器为例， 存在问题较多， 如 在较高重复频率下， 倍频激光器的平均输出功率不够高， 从而影响工业加工速度。 或是目前 多数倍频激光器激光均为线性偏振态输出， 加工例如晶元等某些材料时会出现 X-Y 轴不对 称的现象， 从而影响了加工效果 发明内容 0003 基于此， 有必要提供一种将两台倍频激光器发射的激光进行合束来提高高重复频 率下平均输出功率的激光合束系统。 0004 一种激光合束系统， 用于将两束激光合束成一束激光， 包括第一全反射模块、 第二 全反射模块、 第一偏振模块及第二偏振模块 ； 0005 所述第一全反射模块用于将 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块 ； 所述第一偏 振。
10、模块用于将入射的 S 偏振态激光反射到所述第二偏振模块， 所述第二偏振模块用于将入 射的 S 偏振态激光反射出去 ； 0006 所述第二全反射模块用于将 P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块 ； 所述第二偏 振模块用于将入射的P偏振态激光折射到与所述第二偏振模块反射的S偏振态激光的光路 上。 0007 在其中一个实施例中， 所述第一全反射模块包括第一全反射镜和第二全反射镜， 所述第一全反射镜与所述第二全反射镜平行设置， 所述第一全反射镜用于将入射的所述 S 偏振态激光反射到所述第二全反射镜 ； 所述第二全反射镜用于将所述第一全反射镜反射出 来的 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块。 0008。
11、 在其中一个实施例中， 入射到所述第一全反射镜的S偏振态激光的入射角为45； 所述第一全反射镜反射到所述第二全反射镜的 S 偏振态激光的入射角为 45。 0009 在其中一个实施例中， 所述第二全反射模块包括第三全反射镜和第四全反射镜， 所述第三全反射镜与所述第四全反射镜平行设置， 所述第三全反射镜用于将入射的所述 P 偏振态激光反射到所述第四全反射镜 ； 所述第四全反射镜用于将所述第三全反射镜反射出 说 明 书 CN 104503098 A 3 2/5 页 4 来的 P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块。 0010 在其中一个实施例中， 入射到所述第三全反射镜的P偏振态激光的入射角为45； 。
12、所述第三全反射镜反射到所述第四全反射镜的 P 偏振态激光的入射角为 45。 0011 在其中一个实施例中， 所述第一偏振模块包括第一偏振片， 所述第一偏振片用于 将所述第一全反射模块反射出来的 S 偏振态激光反射到所述第二偏振模块。 0012 在其中一个实施例中， 所述第二偏振模块包括第二偏振片， 所述第二偏振片用于 将入射的 S 偏振态激光反射出去， 所述第二偏振片用于将所述第二全反射模块反射出来的 P 偏振态激光折射到与所述第二偏振片反射的 S 偏振态激光的光路上。 0013 在其中一个实施例中， 所述第一偏振片与所述第二偏振片平行设置。 0014 在其中一个实施例中， 所述第一偏振片反射。
13、的 S 偏振态激光入射到所述第二偏振 片的入射角为 0.5， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一偏振片的折射率， n1 为光路 所处环境的折射率。 0015 在其中一个实施例中， 所述第一偏振片反射的 S 偏振态激光入射到所述第二偏振 片的入射角为 ， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一偏振片的折射率， n1 为光路所处环 境的折射率。 0016 上述激光合束系统通过第一全反射模块和第二全反射模块分别将 S 偏振态激光 及 P 偏振态激光进行全反射处理， 使得能够调整入射 S 偏振态激光和 P 偏振态激光的水平 和垂直。经过全反射处理的 S 偏振态激光经由第一偏振模。
14、块反射到第二偏振模块后， 由第 二偏振模块进行再次反射。经过全反射处理的 P 偏振态激光则由第二偏振模块折射到与第 二偏振模块反射的 S 偏振态激光的光路上， 从而完成 S 偏振态激光与 P 偏振态激光的合束。 单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降低。因此， S 偏振态激光与 P 偏振态激光的合 束后， 频率是单台激光器的两倍， 而平均功率不变。即相当于提高了高频下的单脉冲能量， 从而能够提高激光的加工速度。 附图说明 0017 图 1 为激光合束系统的模块图 ； 0018 图 2 为激光合束系统的原理图 ； 0019 图 3 为 S 偏振态激光与 P 偏振态激光合成示意图 ； 0020 图。
15、 4 为第一激光器在 10kHz 下的激光脉冲示意图 ； 0021 图 5 为第二激光器在 10kHz 下的激光脉冲示意图 ； 0022 图 6 为采用激光合束系统将图 4 和图 5 中激光合束后的激光脉冲示意图。 具体实施方式 0023 如图 1 所示， 为激光合束系统的模块图。 0024 一种激光合束系统， 用于将两束激光合束成一束激光， 包括第一全反射模块 101、 第二全反射模块 201、 第一偏振模块 102 及第二偏振模块 202。 0025 所述第一全反射模块 101 用于将 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块 102 ； 所 述第一偏振模块102用于将入射的S偏振态激光反射到。
16、所述第二偏振模块202， 所述第二偏 振模块 202 用于将入射的 S 偏振态激光反射出去。 说 明 书 CN 104503098 A 4 3/5 页 5 0026 所述第二全反射模块 201 用于将 P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块 202 ； 所 述第二偏振模块 202 用于将入射的 P 偏振态激光折射到与所述第二偏振模块 202 反射的 S 偏振态激光的光路上。 0027 请结合图 2。 0028 第一全反射模块101包括第一全反射镜1011和第二全反射镜1012， 所述第一全反 射镜 1011 与所述第二全反射镜 1012 平行设置， 所述第一全反射镜 1011 用于将入射的所述 。
17、S偏振态激光反射到所述第二全反射镜1012 ； 所述第二全反射镜1012用于将所述第一全反 射镜 1011 反射出来的 S 偏振态激光反射到所述第一偏振模块 102。 0029 具体的， 第一全反射镜 1011 与第二全反射镜 1012 的中心法线重合， 即 S 偏振态激 光入射到第一全反射镜 1011 中心位置时， 由第一全反射镜 1011 的中心位置再反射到第二 全反射镜 1012 的中心位置。 0030 入射到所述第一全反射镜 1011 的 S 偏振态激光的入射角为 45 ； 所述第一全反 射镜 1011 反射到所述第二全反射镜 1012 的 S 偏振态激光的入射角为 45。 0031 。
18、以 45的入射角发射到第一全反射镜 1011 和第二全反射镜 1012， 用于调整 S 偏 振态激光的水平和垂直， 避免反射到第一偏振模块 102 上的 S 偏振态激光的入射角无法满 足反射条件， 使得经过第二偏振模块 202 折射出的 P 偏振态激光无法与 S 偏振态激光重合。 0032 第二全反射模块201包括第三全反射镜2011和第四全反射镜2012， 所述第三全反 射镜 2011 与所述第四全反射镜 2012 平行设置， 所述第三全反射镜 2011 用于将入射的所述 P偏振态激光反射到所述第四全反射镜2012 ； 所述第四全反射镜2012用于将所述第三全反 射镜 2011 反射出来的 。
19、P 偏振态激光反射到所述第二偏振模块 202。 0033 具体的， 第三全反射镜 2011 与第四全反射镜 2012 的中心法线重合， 即 P 偏振态激 光入射到第三全反射镜 2011 中心位置时， 由第三全反射镜 2011 的中心位置再反射到第四 全反射镜 2012 的中心位置。 0034 入射到所述第三全反射镜 2011 的 P 偏振态激光的入射角为 45 ； 所述第三全反 射镜 2011 反射到所述第四全反射镜 2012 的 P 偏振态激光的入射角为 45。 0035 以 45的入射角发射到第三全反射镜 2011 和第四全反射镜 2012， 用于调整 P 偏 振态激光的水平和垂直， 避免。
20、反射到第二偏振模块 202 上的 P 偏振态激光的入射角无法满 足折射条件， 使得经过第二偏振模块 202 折射出的 P 偏振态激光无法与 S 偏振态激光重合。 0036 第一偏振模块102包括第一偏振片1021， 所述第一偏振片1021用于将所述第一全 反射模块 101 反射出来的 S 偏振态激光反射到所述第二偏振模块 202。 0037 第二偏振模块202包括第二偏振片2021， 所述第二偏振片2021用于将入射的S偏 振态激光反射出去， 所述第二偏振片 2021 用于将所述第二全反射模块 201 反射出来的 P 偏 振态激光折射到与所述第二偏振片 1021 反射的 S 偏振态激光的光路上。
21、。 0038 第一偏振片 1021 与所述第二偏振片 2021 平行设置。 0039 请结合图 3。 0040 第一偏振片 1021 反射的 S 偏振态激光入射到所述第二偏振片 2021 的入射角为 0.5， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一偏振片 1021 的折射率， n1 为光路所处环 境的折射率。 0041 优选地， 第一偏振片 1021 反射的 S 偏振态激光入射到所述第二偏振片 2021 的入 说 明 书 CN 104503098 A 5 4/5 页 6 射角为 ， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第一偏振片 1021 的折射率， n1 为光路所处环境 的。
22、折射率。 0042 基于上述所有实施例， 激光器采用紫外激光器， 两天激光器垂直方式。 互相垂直的 两台激光器的发出的激光为线偏振光。激光器输出的激光可以是线偏振光， 也可以是圆偏 光通过 /4 波片整形成线偏光。两束光可以是互相垂直的线偏光。也可以是平行的线偏 光， 其中一束通过 /2 波片， 偏振方向旋转 90 度， 变为偏振态相互垂直的激光。激光器波 长不限。 0043 激光器的输出脉冲是交错输出， 即一束激光以一定的频率发射脉冲 , 另外一束激 光以相同的频率滞后上一束激光周期的一半时间发射脉冲 . 0044 基于上述所有实施例， 激光合束系统的工作原理如下 ： 0045 假设第一激光。
23、器在 10kHz 下发射 S 偏振态激光， 激光脉冲序列如图 4 所示。第二 激光器在 10kHz 下发射 P 偏振态激光， 激光脉冲序列如图 5 所示。第一激光器和第二激光 器发射的激光频率相同， 且第二激光器以相同的频率滞后第一激光器周期的一半时间发射 脉冲。 0046 S偏振态激光依次经过第一全反射镜1011和第二全反射镜1012后， 反射到第一偏 振片 1021。第一偏振片 1021 将经过全反射后的 S 偏振态激光反射到第二偏振片 2021 上。 第二偏振片 2021 将入射的 S 偏振态激光反射出去。 0047 P偏振态激光依次经过第三全反射镜2011和第四全反射镜2012后， 反。
24、射到第二偏 振片 2021 上。第二偏振片 2021 将入射的 P 偏振态激光折射到与第二偏振片 2021 反射的 S 偏振态激光的光路上。即完成 S 偏振态激光与 P 偏振态激光的合束。 0048 其中， S 偏振态激光入射到第二偏振片 2021 的入射角 由第二偏振片 2021 的折 射率和光路所处环境的折射率决定， 具体为 0.5， arctan(n2/n1)， 其中 n2 为第 一偏振片 1021 的折射率， n1 为光路所处环境的折射率。 0049 经由第二偏振片 2021 合束后的激光脉冲序列如图 6 所示。从图 6 中可以看出， 单 数激光输出频率10kHz， 合成后激光脉冲输出。
25、间隔变为50s， 重复频率变为20kHz。 同样需 要高频的激光序列时， 单台激光器的重复频率为所需频率的一半， 从而增加高频下的平均 输出功率。一般来说， 单台倍频激光器随着频率的增加， 平均功率会降低。而采用激光合束 后， 如图 6 所示， 频率是单台激光器的 2 倍， 而平均功率不变。相当于提高了高频下的单脉 冲能量， 从而能提高激光在加工过程中的速度。 0050 上述激光合束系统通过第一全反射模块 101 和第二全反射模块 201 分别将 S 偏振 态激光及 P 偏振态激光进行全反射处理， 使得能够调整入射 S 偏振态激光和 P 偏振态激光 的水平和垂直。经过全反射处理的 S 偏振态激。
26、光经由第一偏振模块 102 反射到第二偏振模 块 202 后， 由第二偏振模块 202 进行再次反射。经过全反射处理的 P 偏振态激光则由第二 偏振模块 202 折射到与第二偏振模块 202 反射的 S 偏振态激光的光路上， 从而完成 S 偏振 态激光与 P 偏振态激光的合束。单台倍频激光器随着频率增加平均功率会降低。因此， S 偏 振态激光与 P 偏振态激光的合束后， 频率是单台激光器的两倍， 而平均功率不变， 即相当于 提高了高频下的单脉冲能量， 从而能够提高激光的加工速度。 0051 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员 说 明 书 CN 104503098 A 6 5/5 页 7 来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保 护范围。因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 CN 104503098 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104503098 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104503098 A 9 3/3 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104503098 A 10 。