一种激光扩束器参数的计算方法

专利名称：一种激光扩束器参数的计算方法
技术领域：
本发明关于一种激光扩束器参数的计算器，特别是一种能自动计算出激光 扩束器的参数的计算方法。
背景技术：
激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工 聚焦点的能量密度，使得激光有效地工作。实际工作中通常选用激光扩束器来 增加光束的直径以及减小光束的发散角。其中，透镜扩束器是最传统、最广泛
采用的一种激光扩束器。如图1所示为激光扩束器的结构图。其中，o为点光
源，负透镜A和正透镜C依次安放在点光源O的一侧，且焦距分別是Fa和Fc。 不同的激光，使用激光扩束器时要求符合的参数也不同。要实现所需的远 场(目标距离处)尺寸和发散角，往往需要调整激光扩束器的间距。即需要根 据激光扩束器的使用距离，选择一定焦距的正负透镜并两者的间距。若每次更 换所使用的激光束时都要根据公式由人工计算而得，不仅效率较低而且精度较 差。

发明内容
本发明旨在提供一种激光扩束器参数的计算方法，以解决现有技术的缺失。 有鉴于此，本发明提供一种激光扩束器参数的计算方法，可自动计算激光 扩束器的参数，上述激光扩束参数的计算方法包括测量光束发散角参数；将 上述光束发散角参数、扩束前光束尺寸以及扩束后光束尺寸输入激光扩束计算 器；以及上述激光扩束计算器自动计算上述激光扩束器的参数。
综上所述，本发明所采用的激光扩束器参数的计算方法，可以根据实验测 得的激光扩束器的发散角以及预设的光束尺寸，不仅自动计算出激光扩束器的 最佳匹配镜片的焦距以及上述最佳匹配镜片的间距，还能评估出在满足扩束后光斑尺寸的前提下，该扩束器系统适用的传输距离和在传输后的发散角。该计 算器可以方便的安装在实验室等场合，方便各种激光器的扩束器的镜片选配。


图1所示为激光扩束器的结构图。
图2所示为本发明的激光扩束器参数的计算方法的流程图。
图3所示为光斑在不同位置处的发散角大小。
图4所示为相干光束发散角的补偿图。
图5所示为激光光束^c一个点光源出射示意图。
图6所示非相干光束发散角补偿图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，给出较佳实施例并结合附图，对本 发明作进一步说明。
如图2所示为本发明的激光扩束器参数的计算方法的流程图。 步骤IO,测量光束发散角参数。
对于理想的激光光源，发散角为零，但对于实际激光光源，往往激光器的 光束发散角不是零，这里的光束发散角参数包括光束总发散角、相干发散角和 非相干发散角，如下表示为6=0 + "'"，其中，e为光束总发散角，"为相千 光束发散角，0为非相干光束发散角，d为光斑尺寸。如图3所示为光斑在不同 位置处的发散角参数的大小。其中理想激光光束21的总发散角6为0,实际激 光光束22的相干光束发散角"随着光斑位置X的增大而增大，非相干光束发散 角G)也随着光斑位置X的不同而不同。特定光束的光束发散角参数用如下的实 验测量得到(1)用小孔光阑遮挡激光光束，仅让激光光束的中心部分通过小 孔，在第一预设距离处测量光斑大小进而计算出非相干发散角0，其中第一预 设距离为激光光源到激光扩束器入口处的距离。(2)在距离激光光束第二预设 距离处测量激光光束整体发散后的尺寸，进而计算出光束总发散角e的值，其 中第二预设距离为激光光源到目标物体的距离，即该激光扩束器适用的传输距 离。(3)由于激光出口光束的尺寸由激光快门出口处的光阑限定(d已知)，光斑中心处的非相干光束发散角0已测出，故相干光束发散角<formula>formula see original document page 6</formula>
且由于°=1，可以方便的计算出相干光束发散角"(mrad/mm)的值。这样，就 可以测得特定激光光束的发散角参数。
步骤20,将光束发散角参数、扩束前光束尺寸以及扩束后光束尺寸输入激 光扩束计算器。
这里的光束发散角参数指的就是步骤IO种所测得的光束总发散角6 ，非相 干光束发散角Q和相干光束发散角"。扩束后光束尺寸包括放大前的光束尺寸以 及放大后的光束尺寸。
步骤30,上述激光扩束计算器自动计算上述激光扩束器的参数。 激光扩束计算器中包含有一个镜片库，镜片库中储存着不同数值，这些数 值分别代表不同镜片的焦距。总体而言，自动计算上述激光扩束器的参数的过 程可分为以下三步在上述镜片库中任意选择一个具有特定焦距Fc的正透镜； 根据公式(如下文中的(7)和(8))计算出与之匹配的具有另一特定焦距FA伞 的负透镜及两者之间的距离D;以及根据公式(如下文中的(4))计算出上述 扩束器适用的传输距离L。详细如下所述。
假设要产生光斑尺寸为G。土&G，光束总发散角<^,的光束，并要求光束尺
寸在设计的传输距离L内都能够满足要求。为充分"i兑明各个公式的运用，这里
分别就以下几种由简到繁的情况逐次进行讨论。
情况一，在理想情况下，光束总发散角6=0，即非相干光束发散角 =0且相
干光束发散角"=0。如图1所示，激光光束通过一个负透镜A和一个正透镜C
进行扩束。扩束器的放大率为
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激光光束经过扩束器的扩束后发散角仍为零度，所以光斑尺寸不随距离变化， 任何距离都可以满足要求。当激光器的光斑尺寸有变化量时，扩束器在放大光 斑尺寸的同时也会对光斑的变化量进行放大。例如已知激光器的光斑尺寸为
^ ±5.《，那么经过扩束后的光斑尺寸应为Go土&G。。如果约束扩束后的光斑尺寸为G0 ± (UG。，那么应限制激光器出射的光斑尺寸为《± 0.2^ 。如果超出该尺寸， 可以通过增加额外的发散角来保证远场L距离的光斑尺寸，额外发散角可以由 下面的公式求得
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情况二，在理想情况的基础上，如果相干光束有一定的发散角即"^0,那
么就相当于负透镜A的虚焦点往右移动了距离5，破坏了理想情况下的准直性。 为了补偿扩束后的发散角，两透镜之间距离需要增加 如图4所示为相干光束 发散角的补偿图，下面对S进行计算。相干光束发散角a可以等价于从一个距离 扩束器为L的点光源发出的，如图5所示为激光光束从一个点光源出射示意图， 其中d0为点光源在扩束器入口处的光斑尺寸。通过几何关系可以得到距离L
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然后利用透镇:公式，可以求得^
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对激光光束的相干发散角校正之后，光束是平行的，但是光斑尺寸略有改变， 由公式(1)可以求得光斑尺寸的改变量
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相千光束发散角可以通过透镜的移动来补偿，但是以牺牲光斑尺寸为代价的。
情况三，由于非相干光束发散的存在即非相干光束发散角0 光斑尺寸 随距离不断增加。这样很可能导致光斑在设计距离L处超出所要求的范围。在 距离L处，最小的光斑尺寸可以通过下面的公式获得；》
G。 (4) 如果g幽〉g。，那么在远场要求的光斑尺寸就无法满足。如果g鹏〈g。，那么可
以通过调整正透镜C的位移略微使光束聚焦来补偿光束的发散角，当g""1^^ 时，透镜位移需要最大的调整量^此时，扩束器的焦点置于距离L处，如图6 所示非相干光束发散角补偿图。距离y表示了极端情况，如果所有的光束总发散
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角都小于 zrf。，透镜的位移将会很小。距离7的公式可以通过透镜公式获 得
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透镜的移动将导致光斑尺寸的增大，增加量可以通过/>式《&获得<formula>formula see original document page 8</formula>
(6)
情况四，在实际应用中，上述多种情况会同时发生对激光扩束器的扩束作用 产生影响。利用FA和Fc对激光光束进行扩束并校正光束总发散角，必须一开始 就要考虑这个影响。实际出射光斑的尺寸为
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调整负透镜A的焦距F:，使实际出射光斑尺寸等于所要求的入射光斑尺寸。(8)
通过该方程可以求得校正过的焦距^4 。利用公式(2)和(4)，可以计算出透 镜之间的间距
(9)
这样就得到了激光扩束器的参数Fc, F/和D，再利用公式(4)就可求出扩束 器适用的传输距离L。
本发明的计算方法应考虑实际操作中的复杂情况，适合运用上述"情况四" 的思考方式。实际应用中，还常常需要符合一特定的传输距离L,即把传输距离 L同光束发散角参数、扩束前光束尺寸以及扩束后光束尺寸一起当作已知参数输 入激光扩束计算器，以求出符合要求的激光扩束器的参数Fc， F/和D。
综上所述，本发明所采用的激光扩束计算器，可以根据实验测得的激光扩 束器的光束总发散角以及预设的光束尺寸，不仅自动计算出扩束器设计的主要 的调整参数Fc， F/和D，还能评估出在满足扩束后光斑尺寸的前提下，该激光 扩束器的适用距离和在传输后的光束总发散角。该计算器可以方便的安装在实 验室等场合，方便各种激光器的扩束器的镜片选配。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟 悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因 此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
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权利要求
1.一种激光扩束器参数的计算方法，自动计算出激光扩束器的参数，其特征是，上述计算方法包括测量光束发散角参数；将上述光束发散角参数、扩束前光束尺寸以及扩束后光束尺寸输入激光扩束计算器；以及上述激光扩束计算器自动计算上述激光扩束器的参数。
2. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征是，上述扩束计算器包含镜片库， 上述镜片库中储存着不同数值，上述这些数值代表不同镜片的焦距。
3. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征是，上述激光扩束计算器自动计算 上述激光扩束器的参数的步骤还包括在上述镜片库中任意选择一个焦距为Fc的正透镜； 根据公式"( 。+IO錄+ |0暨《 J,o和—老(:一》效是)计算出与上述正透镜匹配的一个负透镜焦距FA*，根据公式计算两者之间的距离D;以及 根据公式 r &G0计算出上述扩束器适用的传输距离L。
4. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征是，上述光束发散角参数包括光束 总发散角、相干光束发散角和非相干光束发散角。
5. 根据权利要求4所述的计算方法，其特征是，上述光束发散角参数之间的关系是e-0+"^，其中，e为上述光束总发散角，G)为上述非相干光束发散角，"为上述相干光束发散角，d为光斑尺寸。
6. 根据权利要求5所述的计算方法，其特征是，上述光束发散角参数的方法包 括用小孔光阑遮挡激光光束，仅让激光光束的中心部分通过小孔，在第一预设距离处测量光斑大小进而计算出光束中心的非相干光束发散角 ; 在第二预设距离处测量激光光束整体发散后的尺寸，进而计算出总的发散角e的4直；以及利用上述公式6= + ""计算出相干光束发散角"，其中光斑尺寸d为已知，由 激光快门出口处的光阑限定。
7.根据权利要求5所述的计算方法，其特征是，上述计算方法还包括将符合要 求的传输距离输入上述激光扩束计算器。
全文摘要
一种激光扩束器参数的计算方法，可自动计算激光扩束器的参数，上述激光扩束参数的计算方法包括测量光束发散角参数；将上述光束发散角参数、扩束前光束尺寸以及扩束后光束尺寸输入激光扩束计算器；以及上述激光扩束计算器自动计算上述激光扩束器的参数。
文档编号G02B27/09GK101604303SQ20091005458
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者李仲禹 申请人:上海微电子装备有限公司