一种具备高损伤阈值的激光扩束器的制作方法

1.本实用新型涉及激光设备技术领域，特别涉及一种具备高损伤阈值的激光扩束器。


背景技术：

2.在激光器的实际应用中，一般需要使用激光扩束器将激光器输出的光束扩大到合适的倍数。由于激光器直接输出的光斑一般较小，故激光扩束器的入射面需要承受很高的能量密度(或者峰值功率密度)，特别是对于紫外波段，很容易对激光扩束器的入射面上的增透膜造成损伤，从而制约扩束器的使用寿命。
3.对于紫外355nm波段，增透膜由于材料掺杂，损伤阈值和长期寿命都受到制约，目前工业上较高的镀膜水平可以实现损伤阈值5j/cm2左右，但即使在低于该损伤阈值的激光照射条件下，长期工作也会出现材料变性，影响透过的光束能量分布，从而降低了激光器的性能指标以及寿命。而对于无镀膜的紫外熔融石英材料，损伤阈值一般达到20j/cm2以上，在同样条件的紫外激光照射下，长期寿命要比增透膜的长很多。
4.如果采用入射面不镀膜的方式以增加使用寿命，那么则会同时增加激光扩束器的功率损耗(例如每个入射面增加4％的反射损耗)，并且反射回光也会对激光器内部造成不利影响。如图1和图2所示为现有技术中两种常规的激光扩束器结构，二者均由焦距分别为f1、f2的两种透镜组成。其中，图1为负透镜和正透镜组成，两透镜光心的距离为f2-f1。图2为两个共焦的正透镜组成，两透镜光心的距离为f1 f2。图1和图2所示的激光扩束器，其透镜各个表面均镀有增透膜，用以减小端面反射损耗，但也会由于承受高能量密度(或者峰值功率密度)而造成损伤。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供了一种具有高损伤阈值的激光扩束器，旨在增加激光扩束器的使用寿命以及减少激光扩束器中的反射损耗。
6.本实用新型实施例提供了一种具有高损伤阈值的激光扩束器，包括沿光路依次设置的第一元件和第二元件，其中，所述第一元件的输入面为斜切平面且未镀有增透膜，所述第二元件的输出面为斜切平面；
7.光束以布儒斯特角入射至所述第一元件，并从所述第一元件出射后传输特定距离l达到所述第二元件，然后经由所述第二元件的输出面以布儒斯特角出射。
8.优选的，所述第一元件和第二元件均为透镜，所述第一元件和第二元件的折射率均为n；
9.所述第一元件或第二元件的斜切平面的布儒斯特角θb＝arctan(n)；
10.所述第一元件的斜切平面和第二元件的斜切平面的水平方向的夹角β＝θb。
11.在本实用新型实施例提供的第一种激光扩束器结构中，所述第一元件的输出面为第一内凹面，所述第一内凹面的曲率半径为r1。
12.优选的，所述第二元件的输入面为第一外凸面，所述第一外凸面的曲率半径为r2，其中，r2与r1呈倍数关系。
13.优选的，所述第一元件和第二元件之间的间距l＝(r2-r1)/(n-1)其中， n为所述第一元件和第二元件的折射率。
14.优选的，所述第一内凹面和第一外凸面均为球面或者非球面。
15.在本实用新型实施例提供的第二种激光扩束器结构中，所述第一元件的输出面为第二外凸面，所述第二外凸面的曲率半径为r1’。
16.优选的，所述第二元件的输入面为第三外凸面，所述第三外凸面的曲率半径为r2’，其中，r2’与r1’呈倍数关系。
17.优选的，所述第一元件和第二元件之间的间距l＝(r2’ r1’)/(n-1)，其中，n为所述第一元件和第二元件的折射率。
18.优选的，所述第二外凸面和第三外凸面均为球面或者非球面。
19.本实用新型实施例提供了一种具有高损伤阈值的激光扩束器，该激光扩束器包括沿光路依次设置的第一元件和第二元件，其中，所述第一元件的输入面为斜切平面且未镀有增透膜，所述第二元件的输出面为斜切平面；光束以布儒斯特角入射至所述第一元件，并从所述第一元件出射后传输特定距离l达到所述第二元件，然后经由所述第二元件的输出面以布儒斯特角出射。本实用新型实施例设置光束入射面为斜切平面，且不镀设增透膜，从而增加激光扩束器的使用寿命，同时减少反射损耗，避免反射回光的不利影响。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为现有技术中的激光扩束器的结构示意图；
22.图2为现有技术中激光扩束器的另一结构示意图；
23.图3为本实用新型实施例提供的一种具有高损伤阈值的激光扩束器的结构示意图；
24.图4a和图4b分别为本实用新型实施例提供的一种具有高损伤阈值的激光扩束器中第一元件和第二元件的剖面示意图；
25.图5为本实用新型实施例提供的一种具有高损伤阈值的激光扩束器的另一结构示意图；
26.图6为本实用新型实施例提供的一种具有高损伤阈值的激光扩束器的角度关系示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
29.还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
30.还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
31.下面请参见图3，本实用新型实施例提供的一种具有高损伤阈值的激光扩束器，包括沿光路依次设置的第一元件100和第二元件200，其中，所述第一元件 100的输入面为斜切平面且未镀有增透膜，所述第二元件200的输出面为斜切平面；
32.光束以布儒斯特角入射至所述第一元件100，并从所述第一元件100出射后传输特定距离l达到所述第二元件200，然后经由所述第二元件200的输出面以布儒斯特角出射。
33.本实施例中，所述激光扩束器包括第一元件100和第二元件200，其中，第一元件100的接收光束入射的输入面为斜切平面，如此可以使光束以布儒斯特角入射，减少反射损耗，同时由于第一元件100的输入面没有镀设增透膜，因此不会发生输入面损伤，从而能够延长激光扩束器的使用寿命。另外，所述第二元件200的输出面同样为斜切平面，并且也没有镀设增透膜，如此可以使光束经过扩束之后再次以布儒斯特角出射，不仅避免了损伤，而且减少了光束的反射损耗，避免反射回光的不利影响，保证出射光束的能量效果。在具体的应用场景中，所述第一元件100和第二元件200均可以为透镜。
34.在一实施例中，所述第一元件100和第二元件200的折射率均为n。
35.进一步的，所述第一元件100或第二元件200的斜切平面的布儒斯特角θb＝ arctan(n)；
36.所述第一元件100的斜切平面和第二元件200的斜切平面的水平方向的夹角β＝θb。
37.本实施例中，所述第一元件100和第二元件200的折射率设为n，则所述斜切平面的布儒斯特角为θb＝arctan(n)，且两个斜切平面的夹角β＝θb。而对于经过第一元件100的输出面输出的光束，其偏离入射光束的角度为：α＝2*θbꢀ‑
90
°
。例如，当所述第一元件100和第二元件200的材料采用熔融石英时，那么在355nm下的折射率为n＝1.4761，由此可以相应计算得到布儒斯特角θb＝ arctan(n)＝55.9
°
，α＝2*θ
b-90
°
＝21.8
°
。
38.在一实施例中，结合图4a和图4b所示，所述第一元件100的输出面为第一内凹面，所述第一内凹面的曲率半径为r1。
39.以及，所述第二元件200的输入面为第一外凸面，所述第一外凸面的曲率半径为r2，其中，r2与r1呈倍数关系。
40.进一步的，所述第一元件100和第二元件200之间的间距l＝(r2-r1)/(n-1) 其中，n为所述第一元件100和第二元件200的折射率。
41.本实施例中，所述的第一元件100的输出面为内凹的曲面，即所述第一内凹面，其曲率半径为r1，所述第二元件200的入射面为外凸的曲面，即所述第一外凸面，其曲率半径为r2。进一步的，所述第一内凹面和第一外凸面均镀增透膜，以防止反射损耗，提高光束透过率，同时，所述第一内凹面和第一外凸面可以为球面状，也可以为非球面状。光束以布儒斯特角入射，没有反射损耗，接着经过所述第一内凹曲面使得光束发散出射，并在传输特定距离l后，光束的光斑已发散至较大尺寸，继而进入所述第二元件200，其入射面为镀有增透膜的第一外凸面，通过所述第一外凸面使得原发散的光束变得准直，最后从所述第二元件200的斜切平面以布儒斯特角出射，出射光束平行于入射光束，且光束的扩束倍数为r2/r1，例如对于3倍扩束，r2/r1＝3。
42.在另一实施例中，如图5所示，所述第一元件100的输出面为第二外凸面，所述第二外凸面的曲率半径为r1’。
43.以及，所述第二元件200的输入面为第三外凸面，所述第三外凸面的曲率半径为r2’，其中，r2’与r1’呈倍数关系。
44.也就是说，所述的第一元件100的输出面除了可以为所述第一内凹面之外，还可以为所述第二外凸面，相应的，所述第二元件200的输入面除了可以为所述第一外凸面之外，还可以为所述第三外凸面。当所述第一元件100设置第二外凸面，所述第二元件200设置第三外凸面时，二者的曲率半径同样呈倍数关系，即r2’为r1’的若干倍数。
45.在一具体实施例中，所述第二外凸面和第三外凸面均镀设有增透膜，从而防止反射损耗，提高光束透过率。此外，所述第一内凹面和第一外凸面可以为球面状，也可以为非球面状。
46.进一步的，所述第一元件100和第二元件200之间的间距l＝(r2’ r1’)/ (n-1)，其中，n为所述第一元件100和第二元件200的折射率。
47.在具体实施例中，如图6所示，以3倍扩束为例，即第一元件100的第一内凹面r1＝12mm，第二元件200的第一外凸面r2＝36mm，第一元件100和第二元件200采用熔融石英材料，在355nm的折射率n＝1.4761，则计算θb＝ arctan(n)＝55.9
°
，α＝2*θ
b-90
°
＝21.8
°
采用如图3所示的结构，即第一元件100的输出面为第一内凹面，第二元件200的输入面为第一外凸面，那么第一元件100和第二元件200之间的间距为：l＝(r2-r1)/(n-1)＝50.4mm。
48.进一步的，以高功率调q纳秒紫外激光器的扩束为例，激光器输出波长为 355nm，平均功率为50w，重复频率为50khz，输出光斑尺寸为0.6mm，其单脉冲能量为1mj，能量密度为353mj/cm2。对于常规3倍扩束器，在这个条件的长期照射，入射面的增透膜膜层容易发生材料变性或者损伤，导致激光扩束器工作寿命不长。而如果应用本实用新型实施例所提供的激光扩束器，即激光扩束器的入射面不用镀增透膜，并使光束以布儒斯特角入射，则不会产生端面反射损耗，还能够提高损伤阈值，延长工作寿命。
49.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
50.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。