[發明專利]用于擴寬激光射束的裝置和方法

有效

• 申請號: 201280024784.0
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN103562774B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: K·瓦爾梅羅特;C·蒂爾科恩;I·扎維沙
• 申請（專利權）人: 通快激光有限責任公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B17/08
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 郭毅

技術領域

本發明涉及一種用于擴寬激光射束、特別是紫外激光射束的裝置以及一種用于擴寬激光射束的所屬方法。

背景技術

紫外激光器、即產生紫外波長范圍(具有可見波長范圍以下的波長)中的激光輻射的激光器主要在微加工中越來越重要。這提高了對高功率和中等功率的紫外激光器的需求。紫外激光射束的產生經常通過非線性晶體中的紅外激光射束的頻率轉換實現。一方面，所述頻率轉換需要非線性晶體中的高紅外強度和小射束發散，以便實現從紅外波長范圍到紫外波長范圍的有效轉換；另一方面，強度、特別是所產生的紫外輻射的強度不允許太高，以便避免晶體的破壞或者其光學特性的快速劣化。

這些條件例如可以(但不僅僅)在具有大約5ps的范圍中的紫外脈沖長度和大于1μJ的紫外脈沖能量或在大約1ps的脈沖長度和大于0.2μJ的紫外脈沖能量的超短脈沖激光中導致高強度的、準直的或幾乎準直的紫外激光射束，其直徑在轉換結構的延展上沒有顯著增大，即其強度在所述長度上沒有顯著減小。

具有高強度的持久的紫外輻射在透射的光學器件(例如，由石英玻璃構成的透鏡或其他光學器件)中并且可能也在其防反射涂層中導致不期望的、永久性的材料改變，這可以使這些透射的光學器件的透射特性惡化直至不可使用。而且，可以通過紫外輻射如此改變光學器件的未經精確控制的環境中的不同氣體(例如，烴或硅酮化合物)的殘余，從而導致光學器件上的沉積，其同樣在一定時間之后可以導致其不可使用性。特別是在紫外輻射的非常高強度下可以如此快地發生劣化，使得用于紫外激光射束的透射的光學器件的經濟使用不再可能。

為了可以利用通過以上描述的方式產生的、準直的、高強度的紫外激光射束，需要使其如此擴寬，使得其強度在所期望的使用持續時間上不導致后續光學器件(例如，射束引導光學器件、射束成形光學器件或加工光學器件)的損壞。

雖然可以通過激光射束直至后續光學器件的大的傳播長度實現這樣的擴寬，從而激光射束本身已經變得足夠大。但這在當前情形中(其中激光射束是(幾乎)準直的)很難實現，因為需要非常大的傳播長度并且整個擴寬的光學器件的結構大小是有限的。

因此，通常為了(幾乎準直的)激光射束的射束擴寬使用例如伽利略鏡頭1形式的用于射束擴寬的裝置(參見圖1)。這樣的鏡頭1具有至少兩個透鏡2、3，以便將入射的、準直的激光射束4轉換為(在此：六倍的)擴寬的、同樣準直的激光射束5。伽利略鏡頭1是結構簡單的射束擴寬光學器件并且可以在短的結構長度和典型小的結構的情況下在使用軸向設置的球面透鏡2、3的情況下如此設計，使得其在高度容忍輸入射束位置的情況下導致非常小的射束變形(即輸入射束的傾斜或者偏移)。在輸出射束發散方面，可以通過透鏡2、3之一的簡單軸向移動補償透鏡2、3的半徑誤差或輸入射束發散中的誤差，而不出現經擴寬的激光射束5的橫向偏移。

然而不利地，伽利略鏡頭1的輸入側透鏡2自身經受還未擴寬的激光射束4的高紫外強度，從而尤其在使用介電防反射涂層的輸入側透鏡2時可能導致其透射特性的不可接受的劣化。作為這個問題的部分解決方案可以以未涂層、即沒有防反射涂層的輸入光學器件來運行伽利略鏡頭1。但在這種情形中通過在未涂層的透鏡2上的菲涅爾反射產生功率損耗。而且存在透鏡材料自身與輻射相關的變化或者劣化的問題。

已經證實，介電鏡的反射特性的惡化在強紫外輻射下顯著小于透射的光學器件和尤其介電防反射涂層的透射的光學器件的透射特性的惡化。因此，用于紫外輻射的射束擴寬的反射鏡頭實現了比透鏡系統長得多的運行時間。

圖2示出具有作為Z形折疊的反射光學元件的兩個球面折疊鏡7、8的望遠裝置6，用于將入射的、準直的激光射束4(在此：六倍地)轉換為擴寬的、準直的激光射束5。折疊鏡7、8之間的間距在此是大約150mm，對于兩個折疊鏡7、8而言相同的折疊角2α是大約20°。

然而，用于射束擴寬的非軸向鏡系統如同例如在圖2中示出的那樣通常具有不同的缺點：或者需要非球面的光學元件，以便減少散光性和慧差，這使所述系統昂貴且調整敏感，或者這樣的系統在對成像誤差的應用容忍給定的情況下限于相對較大的鏡半徑和相對較小的折疊角，由此整個裝置的大的結構變得必要，和/或所述系統限于完全特定的半徑與折疊角組合以及射束特性(例如，會聚的輸出射束(中間聚焦))。