一种圆偏振光学转换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光加工【技术领域】，公开了一种圆偏振光学转换器，用于将激光器发出的线偏振的入射光束转化为圆偏振激光束，该转换器包括90°相位延迟镜和第一零相移延迟反射镜，所述入射光束的偏振方向与90°相位延迟镜的入射面的夹角为45°，所述入射光束以45°入射角入射到90°相位延迟镜上，入射面为入射光束和90°相位延迟镜的反射光束所组成的平面，并且反射光束通过第一零相移延迟反射镜反射。本实用新型通过90°相位延迟镜将激光器发出的线偏振的入射光束进行相位延迟，使90°相位延迟镜的反射光束的相位延迟90°，形成圆偏振光束，再通过第一零相移延迟反射镜反射聚焦于工件上进行加工，极大的改善切缝的质量，提高激光加工的良品率。
【专利说明】一种圆偏振光学转换器
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及激光加工【技术领域】，更具体的说，特别涉及一种激光精密切割设 备外光路的不同轴或同轴的圆偏振光学转换器。
【背景技术】
[0002] 自上世纪60年代首次实现激光输出以来，由于激光具有高亮度、单色性、方向性、 相干性等优点，受到广泛关注，并在国防军事、工业生产、科学研究等各个方面广泛应用。在 工业生产方面，激光加工方式是利用激光束与物质相互作用特性对材料进行加工的一种方 式。与传统加工方法相比，由于激光加工具有无接触、无应力变形，热影响区域小，可加工 材料广泛，可灵活的实现各种复杂加工，效率高且质量稳定等优点，因此已经形成了激光切 害!]、激光焊接、激光打孔、激光器标记、激光表面处理、零件快速成型等多种应用工艺，并已 经广泛应用于汽车、电子、航空航天、冶金、机械制造等工业领域。对实现生产自动化、提高 产品质量和劳动生产率、减少材料消耗、降低环境污染等起到越来越重要的作用。
[0003] 激光切割技术是将能量聚焦到微小的空间，焦点处达到很高的能量密度，这时激 光输出的热量远大于被材料反射、传导的部分，材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔 洞，随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。工业生产中，激光切 割是应用最广泛的一种激光加工方法。
[0004] 随着技术进步及工业产品升级换代，对激光切割效果的要求也越来越高。例如，随 着电子行业及信息产业的发展，电子和信息设备产品越来越小型化，对激光切割的精度要 求越来越高。最为典型的需求就是对切缝宽度的要求，以满足零部件的不同部位以及不同 零部件的加工需求。
[0005] 激光器输出的激光偏振模式通常是线偏振或随机线偏振模式，例如C02激光器 (如美国Coherent公司生产的C02激光器输出激光的偏振方向与激光器底座平行)，金属切 割和其他高精密或超高精密工件的激光加工对切缝宽度及横截面发生的任何变化都很敏 感。激光切割的质量取决于激光相对切割方向的偏振方向。
[0006] 如图1所不，以C02激光器为例，C02激光器输出光束的偏振方向是线偏振，在整 个外光路传导过程中没有对偏振状态进行处理，以在工件上切割字符"CT"为例，当激光切 割轨迹方向与激光的偏振方向平行时，能够切割出最佳的切缝，即切口窄而平滑，与加工物 表面垂直度好，如图1中的A部分所示；当切割轨迹方向与激光的偏振方向垂直时，其切缝 较宽，平滑度仍较好，如图1中的B部分所示；而当切割轨迹方面与激光偏振方向有某个夹 角的时候，切缝宽度较大，切口歪斜，且不平滑，如图1中的C部分所示。
[0007] 在C02激光精密切割设备中，C02激光器输出的是线性偏振激光束，由于使用线偏 振光切割工件时，沿着不同的切割轨迹，其切缝不同，当激光切割轨迹方向与激光的偏振方 向平行时，能够切割出最佳的切缝，即切口窄而平滑，与加工物表面垂直度好；当切割轨迹 方向与激光的偏振方向垂直时，其切缝较宽，平滑度仍较好；当切割轨迹方面与激光偏振方 向有某个夹角的时候，切缝宽度较大，切口歪斜，且不平滑。因此，在激光精密切割设备中， 为了提高激光切割质量，需要将工业激光输出光束的线偏振转换为圆偏振激光束，改善激 光切缝质量。 实用新型内容
[0008] 本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，提供一种切割质量好的 圆偏振光学转换器。
[0009] 为了解决以上提出的问题，本实用新型采用的技术方案为：
[0010] 一种圆偏振光学转换器，用于将激光器发出的线偏振的入射光束转化为圆偏振激 光束，该转换器包括90°相位延迟镜和第一零相移延迟反射镜，所述入射光束的偏振方向 与90°相位延迟镜的入射面的夹角为45°，所述入射光束以45°入射角入射到90°相位 延迟镜上，入射面为入射光束和90°相位延迟镜的反射光束所组成的平面，并且反射光束 通过第一零相移延迟反射镜反射。
[0011] 根据本实用新型的一优选实施例：所述激光器为C02激光器，该C02激光器输出的 激光的偏振方向与C02激光器的激光器底座平行。
[0012] 根据本实用新型的一优选实施例：还包括用于安装90°相位延迟镜和第一零相 移延迟反射镜的第一安装座，该第一安装座包括上下依次设置的第一上镜片压盖、第一镜 片支座和第一下镜片压盖，所述90°相位延迟镜Ml安装于第一上镜片压盖和第一镜片支 座之间，所述第一零相移延迟反射镜M2安装于第一下镜片压盖和第一镜片支座之间。
[0013] 根据本实用新型的一优选实施例：所述第一上镜片压盖和第一下镜片压盖内分别 设有第一水冷通道和第二水冷通道，并且第一上镜片压盖和第一下镜片压盖上还分别安装 有与第一水冷通道连通的第一水管接头，以及第二水冷通道连通的第二水管接头。
[0014] 根据本实用新型的一优选实施例：还包括第二零相移延迟反射镜和第三零相移延 迟反射镜，所述第二零相移延迟反射镜设于第一零相移延迟反射镜的反射光束上，所述第 三零相移延迟反射镜设于第二零相移延迟反射镜的反射光束上，并且第三零相移延迟反射 镜的反射光束与90°相位延迟镜的入射光束位于同一光轴上。
[0015] 根据本实用新型的一优选实施例：还包括用于安装第二零相移延迟反射镜和第三 零相移延迟反射镜的第二安装座，该第二安装座包括上下依次设置的第二上镜片压盖、第 二镜片支座和第二下镜片压盖，所述第二零相移延迟反射镜安装于第二镜片支座和第二下 镜片压盖之间，所述第三零相移延迟反射镜安装于第二上镜片压盖和第二镜片支座之间。
[0016] 根据本实用新型的一优选实施例：所述第二上镜片压盖和第二下镜片压盖内分别 设有第三水冷通道和第四水冷通道，并且第二上镜片压盖和第二下镜片压盖上还分别安装 有与第三水冷通道连通的第三水管接头，以及第四水冷通道连通的第四水管接头。
[0017] 根据本实用新型的一优选实施例：所述第一安装座和第二安装座之间还设有中间 隔板，并且该中间隔板上还设有与第一零相移延迟反射镜的反射光束相对应的光束孔。
[0018] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过90°相位延迟镜 将激光器发出的线偏振的入射光束进行相位延迟，使90°相位延迟镜的反射光束的相位延 迟90°，形成圆偏振光束，再通过第一零相移延迟反射镜反射聚焦于工件上进行加工，极大 的改善了切缝的质量，提高激光加工的良品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为现有技术中线偏振激光切缝效果示意图。
[0020] 图2为本实用新型中线偏振转换为圆偏振的光学原理图。
[0021] 图3中3a为相位差为0°的偏振状态图，3b为相位差为90°的偏振状态图，3c为 相位差为180°的偏振状态图。
[0022] 图4为实施例一的不同轴圆偏振光学转换器的内部光路原理图。
[0023] 图5为实施例一的不同轴圆偏振光学转换器的结构图。
[0024] 图6为实施例一的不同轴圆偏振光学转换器的立体图。
[0025] 图7为实施例一的不同轴圆偏振光学转换器的爆炸图。
[0026] 图8为实施例一的不同轴圆偏振光学转换器的圆偏振的激光切缝效果。
[0027] 图9为实施例二的同轴圆偏振光学转换器的内部光路原理图。
[0028] 图10为实施例二的不同轴圆偏振光学转换器的结构图。
[0029] 图11为实施例二的不同轴圆偏振光学转换器的立体图。
[0030] 图12为实施例二的不同轴圆偏振光学转换器的爆炸图。
[0031] 图13为实施例二的不同轴圆偏振光学转换器的圆偏振的激光切缝效果。
[0032] 附图标记说明：1、激光器，2、激光器底座，3、偏振方向，4、入射面，5、工件，6、激光 束,7、第一上镜片压盖，8、第一下镜片压盖，9、第一镜片支座，10、第一水管接头，11、第二水 管接头，12、第二上镜片压盖，13、第二镜片支座，14、第二下镜片压盖，15、中间隔板，16、第 三水管接头，17、第四水管接头，18、光束孔，Ml、90°相位延迟镜，M2、第一零相移延迟反射 镜，M3、第二零相移延迟反射镜，M4、第三零相移延迟反射镜。
【具体实施方式】
[0033] 为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描 述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的 公开内容的理解更加透彻全面。
[0034] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领 域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为 了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
[0035] 结合图2和图3所示的本实用新型的原理构思，图2示出了线偏振转换为圆偏振 的光学原理：入射光束(线偏振光)的偏振方向与入射面夹角45°角，并以45°角入射90° 相位延迟镜，从90°相位延迟镜反射出来的光束因相位延迟了 90°，再由图3中所示的不 同相位差的偏振状态可知(其中3a的相位差为0°，图3b的相位差为90°，图3c的相位差 为180° )，线偏振光被转换为圆偏振光。
[0036] 下面再通过两个具体实施例对本实用新型的圆偏振光学转换器作进一步的说明。
[0037] 实施例一
[0038]参阅图4所示，本实施例提供的一种圆偏振光学转换器，用于将激光器1发出的线 偏振的入射光束bl转化为圆偏振激光束，并且本实施例的转换器所转换后的圆偏振激光 束与激光器1所发出的入射光束bl不在同一个光轴上。
[0039] 本实施例的转换器包括90°相位延迟镜Ml和第一零相移延迟反射镜M2,其中，所 述入射光束bl的偏振方向3与90°相位延迟镜Ml的入射面4的夹角为45°，所述入射光 束bl以45°入射角入射到90°相位延迟镜Ml上，入射面4为入射光束bl和90°相位延 迟镜Ml的反射光束b2所组成的平面，并且反射光束b2通过第一零相移延迟反射镜M2反 射。
[0040] 本实施例中的激光器1为C02激光器，具体采用的是美国Coherent公司生产的 C02激光器，该C02激光器输出的激光的偏振方向与C02激光器的激光器底座2平行。
[0041] 本实施例为了便于理解和描述激光束的入射光束bl、偏振方向3和出射光束b3等 的方位，故在图4中增加了两个虚线的立方体。
[0042] 本实施例的工作原理为：C02激光器输出一线偏振的入射光束bl,其偏振方向3与 激光器底座2是平行的，90°相位延迟镜Ml和第一零相位延迟反射镜M2按图4的位置放 置，以保证入射光束bl的入射面4由入射光束bl和90度相移延迟镜Ml的反射光束b2构 成的平面，入射光束bl的偏振方向3与入射面4的夹角45°，并且入射光束bl以45°入 射角入射到90°相位延迟镜M1，即此时的反射光束b2的相位被延迟了 90°，再根据图3示 出的不同相位差的偏振状态可知，反射光束b2是圆偏振光，通过零相位延迟反射镜M2反射 后平行射出，反射光束b3的偏振态不变，仍然为圆偏振激光束，将此光束聚焦于工件5,可 用于激光精密切割，改善切缝质量，提高激光加工的良品率。
[0043] 参阅图5?图7所示，本实施例在结构上还包括用于安装90°相位延迟镜Ml和第 一零相移延迟反射镜M2的第一安装座，并且该第一安装座包括上下依次设置的第一上镜 片压盖7、第一镜片支座9和第一下镜片压盖8,所述90°相位延迟镜Ml安装于第一上镜片 压盖7和第一镜片支座9之间，所述第一零相移延迟反射镜M2安装于第一下镜片压盖8和 第一镜片支座9之间。
[0044] 具体的，为了便于散热，进一步提高转换器的使用寿命，本实施例在第一上镜片压 盖7和第一下镜片压盖8内分别设有第一水冷通道(未示出）和第二水冷通道(未示出），并 且第一上镜片压盖7和第一下镜片压盖8上还分别安装有与第一水冷通道(未示出)连通的 第一水管接头10,以及第二水冷通道(未示出）连通的第二水管接头11。
[0045] 本实施例由于将90°相位延迟镜Ml和第一零相位延迟反射镜M2按图4的结构设 计一种不同轴的圆偏振光学转换器，能够将C02激光器输出的线偏振激光束转换为圆偏振 激光束，圆偏振激光束通过聚焦于工件表面进行切割，使得切割质量不随激光切割轨迹的 变化而变化，改善了激光切缝的质量，如图8中的A、B和C处所示，极大的提高了激光精密 切割的品质和良品率。
[0046] 实施例二
[0047] 本实施例与实施一基本相同，不同之处在于：本实施例为了方便安装和调试，将转 换器的入射光束和出射光束设置在同一光轴上，具体表现在结构上如下。
[0048] 本实施例还包括第二零相移延迟反射镜M3和第三零相移延迟反射镜M4,其中，所 述第二零相移延迟反射镜M3设于第一零相移延迟反射镜M2的反射光束b3上，所述第三零 相移延迟反射镜M4设于第二零相移延迟反射镜M3的反射光束b4上，并且第三零相移延迟 反射镜M4的反射光束b5与90°相位延迟镜Ml的入射光束bl同轴。
[0049] 同样，本实施例为了便于描述同轴圆偏振光学转换器的原理及光学镜片放置位置 和入射光束和出射光束的方位，故在图9中采用了三个虚线立体框。
[0050] 本实施例的工作原理为：C02激光器输出一线偏振的入射光束bl，其偏振方向3与 激光器底座2平行，入射光束bl的偏振方向3与入射面4的夹角为45°，入射光束bl以 45°的入射角入射90°相位延迟镜M1，反射光束b2的相位被延迟了 90°，再根据图3的不 同相位差的偏振状态可知，反射光束b2的偏振态为圆偏振，再米用3片零相移反射镜M2、 M3、M4按照图9所示的位置放置，由于零相移反射镜不改变光束的偏振状态，只改变光的传 播路径，所以，光束b2、b3、b4和b5都是圆偏振光。如图9所不，圆偏振光学转换器的出射 光束b5与入射光束bl位于同一光轴上，以便于在C02激光加工设备的外光路进行安装。 最后再将出射光束b5聚焦于工件5进行激光精密切割，切缝不随激光切割头的轨迹变化而 变化，从而改善了工件激光切缝的质量，保证了激光精密切割精度，提高了激光加工的良品 率。
[0051] 参阅图10?图12所示,本实施例在结构上还包括用于安装第二零相移延迟反射 镜M3和第三零相移延迟反射镜M4的第二安装座，该第二安装座包括上下依次设置的第二 上镜片压盖12、第二镜片支座13和第二下镜片压盖14,所述第二零相移延迟反射镜M3安 装于第二镜片支座13和第二下镜片压盖14之间，所述第三零相移延迟反射镜M4安装于第 二上镜片压盖12和第二镜片支座13之间。
[0052] 具体的，为了便于散热，进一步提高转换器的使用寿命，本实施例在第二上镜片压 盖12和第二下镜片压盖14内分别设有第三水冷通道(未示出）和第四水冷通道(未示出）， 并且第二上镜片压盖12和第二下镜片压盖14上还分别安装有与第三水冷通道(未示出)连 通的第三水管接头16,以及第四水冷通道(未示出）连通的第四水管接头17。
[0053] 具体的，为了便于安装，本实施例还在第一安装座和第二安装座之间设有中间隔 板15,并且该中间隔板15上还设有与第一零相移延迟反射镜M2的反射光束b3相对应的光 束孔18。
[0054] 本实施例由于采用一片90°相位延迟镜Ml和三片零相位延迟反射镜M2、M3和M4 设计成同轴圆偏振光学转换器，而由于是同轴输出光束，在激光切割设备的外光路中便于 安装和调光。并且同轴圆偏振光学转换器能够将C02激光器输出的线偏振激光束转换为圆 偏振激光束，圆偏振激光束再聚焦于工件表面进行切割，使得切割质量不随激光切割轨迹 的变化而变化，改善了激光切缝的质量，如图13所，提高了激光精密切割的品质和良品率。
[0055] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种圆偏振光学转换器，用于将激光器（1)发出的线偏振的入射光束（bl)转化为 圆偏振激光束，其特征在于：该转换器包括90°相位延迟镜（Ml)和第一零相移延迟反射镜 (M2)，所述入射光束（bl)的偏振方向（3)与90°相位延迟镜（Ml)的入射面（4)的夹角为 45°，所述入射光束（bl)以45°入射角入射到90°相位延迟镜（Ml)上，入射面（4)为入射 光束（bl)和90°相位延迟镜（Ml)的反射光束（b2)所组成的平面，并且反射光束（b2)通过 第一零相移延迟反射镜（M2)反射。
2. 根据权利要求1所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：所述激光器（1)为C02激光 器，该C02激光器输出的激光的偏振方向与C02激光器的激光器底座（2)平行。
3.根据权利要求2所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：还包括用于安装90°相 位延迟镜（Ml)和第一零相移延迟反射镜（M2)的第一安装座，该第一安装座包括上下依次 设置的第一上镜片压盖（7)、第一镜片支座（9)和第一下镜片压盖（8)，所述90°相位延迟 镜（Ml)安装于第一上镜片压盖（7)和第一镜片支座（9)之间，所述第一零相移延迟反射镜 (M2)安装于第一下镜片压盖（8)和第一镜片支座（9)之间。
4.根据权利要求3所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：所述第一上镜片压盖（7)和 第一下镜片压盖（8)内分别设有第一水冷通道和第二水冷通道,并且第一上镜片压盖（7) 和第一下镜片压盖（8)上还分别安装有与第一水冷通道连通的第一水管接头（10)，以及第 二水冷通道连通的第二水管接头（11)。
5.根据权利要求3或4所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：还包括第二零相移延 迟反射镜（M3)和第三零相移延迟反射镜（M4)，所述第二零相移延迟反射镜（M3)设于第一 零相移延迟反射镜（M2)的反射光束（b3)上，所述第三零相移延迟反射镜（M4)设于第二 零相移延迟反射镜（M3)的反射光束（b4)上，并且第三零相移延迟反射镜（M4)的反射光束 (b5)与90°相位延迟镜（Ml)的入射光束（bl)位于同一光轴上。
6. 根据权利要求5所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：还包括用于安装第二零相 移延迟反射镜（M3)和第三零相移延迟反射镜（M4)的第二安装座，该第二安装座包括上下 依次设置的第二上镜片压盖（12)、第二镜片支座（13)和第二下镜片压盖（14)，所述第二零 相移延迟反射镜（M3)安装于第二镜片支座（13)和第二下镜片压盖（14)之间，所述第三零 相移延迟反射镜（M4)安装于第二上镜片压盖（12)和第二镜片支座（13)之间。
7.根据权利要求6所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：所述第二上镜片压盖（12) 和第二下镜片压盖（14)内分别设有第三水冷通道和第四水冷通道，并且第二上镜片压盖 (12)和第二下镜片压盖（14)上还分别安装有与第三水冷通道连通的第三水管接头（16)，以及第四水冷通道连通的第四水管接头（17)。
8. 根据权利要求6或7所述的圆偏振光学转换器，其特征在于：所述第一安装座和第 二安装座之间还设有中间隔板（15)，并且该中间隔板（15)上还设有与第一零相移延迟反 射镜（M2)的反射光束（b3)相对应的光束孔（18)。
【文档编号】B23K26/064GK203863214SQ201420162498
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】肖磊, 龚成万, 赵建涛, 杨锦彬, 宁艳华, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司