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一种调节激光束产生动态横向位移的方法

阅读：813发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种调节激光束产生动态横向位移的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种调节激光束产生动态横向位移的方法，包括：1)将四块切割后的楔形电光棱镜组成长方体电光棱镜置于出射激光束水平面上；2)设定z轴，x′轴和y′轴；3)分别在四块楔形电光棱镜上外加z轴方向的电压；4)设定楔形棱镜I、楔形棱镜IV光轴方向与z轴同向，楔形棱镜II和楔形棱镜III光轴方向与z轴反向；5)激光束沿y′轴方向射入，确定激光器入射激光束在第一、二块楔形电光棱镜中的折射率差；6)得到激光束通过楔形棱镜I进入楔形棱镜II的偏转角度；8)激光束出射光束偏转y′方向，在x′方向上产生横向位移，改变电压，产生动态横向位移。该方法根据电光偏转原理，调节输入楔形电光棱镜电压值，可同步产生动态横向位移，并且精度能够得到保证。，下面是一种调节激光束产生动态横向位移的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种调节激光束产生动态横向位移的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1）将电光晶体切割成四块楔形电光棱镜，按照第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次排列组合成长方体电光棱镜；且第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的结构相同、大小相等，第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的结构相同、大小相等；并将组合后的长方体电光棱镜沿其长度方向置于激光器出射激光束面上；
2）设定电光棱镜水平面垂直向下方向为z轴，与z轴构成三维坐标的其他两个轴分别为x'轴和y'轴，其中，x'轴和y'轴为电光晶体的感应主轴方向；
3）分别在第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ以及第三块楔形棱镜Ⅲ、第四块楔形棱镜Ⅳ上外加沿z轴方向的电压；
4）设定第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的光轴方向与z轴方向相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与z轴方向相反；
5）激光束沿y'轴方向射入，则激光束光波振动方向为x'轴方向，激光器入射激光束在第一块楔形棱镜Ⅰ、第四块楔形棱镜Ⅳ中的折射率为：
①
激光器入射激光束在第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ中的折射率为：
②
则第一块楔形棱镜Ⅰ与第二块楔形棱镜Ⅱ折射率差为：
③
式中，n0为晶体的折射率，γ为电光系数，EZ为外加电压形成的电场；
6）激光束通过第一块楔形棱镜Ⅰ射入第二块楔形棱镜Ⅱ后，产生光束偏转，偏转角度为：
④
式中，D为长方体电光棱镜的宽度，l为第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的长度，h为长方体电光棱镜的厚度，V为所述Z轴方向上的电压值
7）激光束出射光束偏转y'方向，在x'方向上产生横向位移，改变棱镜外加电压的大小，即产生动态的横向位移。
2.如权利要求1所述的一种调节激光束产生动态横向位移的方法，其特征在于，所述电光棱镜按照楔角α的正切值切割：
⑤
其中，l为第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的长度。
3.如权利要求1所述的一种调节激光束产生动态横向位移的方法，其特征在于，所述动态横向位移按照下式实现：
⑥
其中，α为楔角，l'为第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的长度和，l'=l1+l2；l1为切开后第二块楔形棱镜Ⅱ的底边长度，l2=l1-l。
4.如权利要求1所述的一种调节激光束产生动态横向位移的方法，其特征在于，所述第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的总长l'与激光束产生动态横向位移度成正比。
5.一种调节激光束产生动态横向位移的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1）将电光晶体切割成四块楔形电光棱镜，按照第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次排列组合成梯形电光棱镜，且满足2r＜D，其中，2r为激光束入射光束直径，D为梯形电光棱镜的宽度，D=2(dmax+r)，dmax为需要产生的最大横向位移；并将组合后的梯形电光棱镜沿其长度方向置于激光器出射激光束面上；
2）设定电光棱镜水平面垂直向下方向为z轴，与z轴构成三维坐标的其他两个轴分别为x'轴和y'轴，其中，x'轴和y'轴为电光晶体的感应主轴方向；
3）分别在第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ以及第三块楔形棱镜Ⅲ、第四块楔形棱镜Ⅳ上外加沿z轴方向的电压；
4）设定第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的光轴方向与z轴方向相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与z轴方向相反；
5）激光束沿y'轴方向射入，则激光束光波振动方向为x'轴方向，激光器入射激光束在第一块楔形棱镜Ⅰ、第四块楔形棱镜Ⅳ中的折射率为：
①
激光器入射激光束在第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ中的折射率为：
②
则第一块楔形棱镜Ⅰ与第二块楔形棱镜Ⅱ折射率差为：
③
式中，n0为晶体的折射率，γ为电光系数，EZ为外加电压形成的电场；
6）激光束通过第一块楔形棱镜Ⅰ射入第二块楔形棱镜Ⅱ后，产生光束偏转，偏转角度为：
④
式中，D为梯形电光棱镜较大的底边的宽度，l为第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的长度，h为梯形电光棱镜的的厚度，V为所述Z轴方向上的电压值；
7）激光束出射光束偏转y'方向，在x'方向上产生横向位移，改变棱镜外加电压的大小，即产生动态的横向位移。

说明书全文

一种调节激光束产生动态横向位移的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光微加工领域调节激光束的横向位移方法，特别是一种调节激光束产生动态横向位移的方法。

背景技术

[0002] 在激光微加工领域当中，经常需要调节激光束的横向位移来扫描切割异形孔，现有的改变光束横向位移的方法有两种，一种是使用平行平板，将平行平板一个固定角度倾斜放置，光束垂直入射，便可以产生一个固定的横向位移；若使平行平板俯仰摆动，改变倾角，则可产生动态的横向位移，这种方法的缺点是平行平板的摆动需要机械控制较难实现，由于震动的存在，精度也不易保证。另一种方法是使用有一定间隔的双光楔，即将平行平板沿对角线切割开，制成两个光楔，调节两个光楔中间的空气间隔，可动态的改变横向位移，该方法在垂直方向上需要机械控制匀速运动，以改变间隔大小，也同样存在控制的问题相对较难实现，机械精度也不易保证。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种调节激光束产生动态横向位移的方法，该方法使用四块级联的电光棱镜按照一定方式组合，根据电光偏转原理，调节输入楔形电光棱镜的电压值，可同步产生动态横向位移，并且精度能够得到良好的保证。

[0004] 本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

[0005] 一种调节激光束产生动态横向位移的方法，该方法包括下述步骤：

[0006] 1）将电光晶体切割成四块楔形电光棱镜，按照第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次排列组合成长方体电光棱镜；且第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的结构相同、大小相等，第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的结构相同、大小相等；并将组合后的长方体电光棱镜沿其长度方向置于激光器出射激光束面上；

[0007] 2）设定光电棱镜水平面垂直向下方向为z轴，与z轴构成三维坐标的其他两个轴分别为x'轴和y'轴，其中，x'轴和y'轴为感应主轴方向；

[0008] 3）分别在第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ以及第三块楔形棱镜Ⅲ、第四块楔形棱镜Ⅳ上外加沿z轴方向的电压；

[0009] 4）设定第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的光轴方向与z轴方向相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与z轴方向相反；

[0010] 5）激光束沿y'轴方向射入，则激光束光波振动方向为x'轴方向，激光器入射激光束在第一块楔形棱镜Ⅰ、第四块楔形棱镜Ⅳ中的折射率为：

[0011] ①

[0012] 激光器入射激光束在第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ中的折射率为：

[0013] ②则第一块楔形棱镜Ⅰ与第二块楔形棱镜Ⅱ折射率差为：

[0014] ③

[0015] 式中，n0为晶体的折射率，γ为电光系数，EZ为外加电压形成的电场；

[0016] 6）激光束通过楔形棱镜Ⅰ射入第二块楔形棱镜Ⅱ后，产生光束偏转，偏转角度为：

[0017] ④

[0018] 式中，D为楔形棱镜宽度，l为楔形棱镜长度，h为楔形棱镜厚度；

[0019] 7）激光束出射光束偏转y'方向，在x'方向上产生横向位移，改变棱镜外加电压的大小，即产生动态的横向位移。

[0020] 本发明进一步的特征在于：

[0021] 所述电光棱镜按照楔角α的正切值切割：

[0022] ⑤

[0023] 其中，l为第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的长度，D为楔形棱镜的宽度。

[0024] 所述动态横向位移按照下式实现：

[0025] ⑥

[0026] 其中，γ为电光系数，α为楔角，V为电压，n0为折射率，l为切开后第一块楔形棱镜Ⅰ的底边长度,l'为第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的长度和（l'=l1+l2），l1为切开后第二块楔形棱镜Ⅱ的底边长度，l2=l1-l，D为楔形棱镜的宽度,h为楔形棱镜的厚度。

[0027] 所述按照第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次组合的长方体电光棱镜或为梯形结构，且满足2r＜D，其中，2r为激光束入射光束直径，D为楔形棱镜的宽度，D=2(dmax+r)，dmax为需要产生的最大横向位移。

[0028] 所述第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的总长l'（l'=l1+l2）与激光束产生动态横向位移度成正比。

[0029] 本发明基于电光晶体的电光效应特性，采用四块电光晶体级联，按照一定方式组合，根据电光偏转的原理，调节输入电压，来同步产生光束动态横向位移，该方法精度高，可控性强，有着良好的应用价值。

[0030] 本发明的特点在于：

[0031] ①相对于使用平行平板固定角度倾斜放置或使平行平板俯仰摆动改变倾角的方式产生固定或动态的横向位移方法，本发明不需要通过机械控制器件即可实现激光束产生动态横向位移，该方法调节输入电压值，可同步产生动态横向位移，并且精度能够得到保证。

[0032] ②相对于使用有一定间隔的双光楔来调节两个光楔中间的空气间隔的方式来产生动态的改变横向位移方法，本发明无需将光楔设置间隔，因而无需调节光楔的距离来产生动态横向位移，该方法设计合理，不存在控制机械精度的问题。附图说明

[0033] 图1是本发明四块楔形电光棱镜组成的横向位移发生器结构图；

[0034] 图2是产生右偏转的横向位移光路原理图；

[0035] 图3是产生左偏转的横向位移光路原理图；

[0036] 图4是横向位移计算原理图；

[0037] 图5是KDP电光晶体的电压与横向位移的关系；

[0038] 图6是D-KDP电光晶体的电压与横向位移的关系；

[0039] 图7是RTP电光晶体的电压与横向位移的关系；

[0040] 图8是本发明四块楔形电光棱镜组合成梯形结构的横向位移发生器结构图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

[0042] 如图1所示，本发明调节激光束产生动态横向位移的方法包括下述步骤：

[0043] 1）将电光晶体切割成四块楔形电光棱镜，切割方式按照α楔角的正切值沿每块电光晶体的两端进行切割：

[0044] ⑤

[0045] 其中，l为第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的长度，D为楔形棱镜的宽度。

[0046] 按照第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次排列组合成长方体电光棱镜；且分别满足第一块楔形棱镜Ⅰ与第四块楔形棱镜Ⅳ的结构相同、大小相等，第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的结构相同、大小相等；并将组合后的长方体电光棱镜沿其长度方向置于激光器出射激光束面上，激光束是垂直入射到组合后的长方体电光棱镜上；

[0047] 2）设定光电棱镜水平面垂直向下方向为z轴，与z轴构成三维坐标的其他两个轴分别为x'轴和y'轴，其中，x'轴和y'轴为感应主轴方向；

[0048] 3）分别在第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ以及第三块楔形棱镜Ⅲ、第四块楔形棱镜Ⅳ上外加沿z轴方向的电压；

[0049] 4）设定第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的光轴方向与z轴方向相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与z轴方向相反；

[0050] 5）激光束沿y'轴方向射入，则激光束光波振动方向为x'轴方向，激光器入射激光束在第一块楔形棱镜Ⅰ、第四块楔形棱镜Ⅳ中的折射率为：

[0051] ①激光器入射激光束在第二块楔形棱镜Ⅱ以及第三块楔形棱镜Ⅲ中的折射率为： ②则第一块楔形棱镜Ⅰ与第二块楔形棱镜Ⅱ折射率差为：

[0052] ③

[0053] 式中，n0为晶体的折射率，γ为电光系数，EZ为外加电压形成的电场；

[0054] 6）激光束通过楔形棱镜Ⅰ射入第二块楔形棱镜Ⅱ后，产生光束偏转，偏转角度为：

[0055] ④

[0056] 式中，D为楔形棱镜宽度，l为楔形棱镜长度，h为楔形棱镜厚度；

[0057] 7）激光束出射光束偏转y'方向，在x'方向上产生横向位移，改变棱镜外加电压的大小，即产生动态的横向位移。

[0058] 上述步骤7）中所述动态横向位移按照下式实现：

[0059] ⑥

[0060] 其中，γ为电光系数，α为楔角，V为电压，n0为折射率，l为切开后第一块楔形棱镜Ⅰ的底边长度,l'为第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的长度和（l'=l1+l2），l1为切开后第二块电光棱镜Ⅱ的底边长度，l2=l1-l，D为楔形棱镜的宽度,h为电光棱镜的厚度。

[0061] 本发明依据基于电光效应的电光偏转原理，采用由四块楔形电光棱镜组成的棱镜偏转器，长为l''（l''=l+l1+l2）,宽为D,厚度为h.棱镜外加电压沿着图1的z轴方向，四块棱镜的光轴方向，从左至右，第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的光轴方向与z轴方向相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与z轴方向相反。x',y'为感应主轴方向。

[0062] 若激光束沿y'方向射入，光波的振动方向为x'轴方向，棱镜外加电压与z轴方向相同，则光波在第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ中的折射率均为由于第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的光轴方向与外加电压方向相反，所以光在第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ中的折射率均为：

[0063] 第一块楔形棱镜Ⅰ和第二块楔形棱镜Ⅱ的折射率差为光速通过第一块楔形棱镜Ⅰ射入第二块楔形棱镜Ⅱ后，由于折射率差的存在，产生了光束偏转，偏转角度为：

[0064] 由上所述可知，第一块楔形棱镜Ⅰ和第四块楔形棱镜Ⅳ的折射率相同，第二块楔形棱镜Ⅱ和第三块楔形棱镜Ⅲ的折射率相同，光束通过第二块楔形棱镜Ⅱ射入第三块楔形棱镜Ⅲ不存在折射率差，因此光束方向不变，直到入射到第四块楔形棱镜Ⅳ时，光束再次偏转，由于第三块楔形棱镜Ⅲ与第四块楔形棱镜Ⅳ的折射率差与第一块楔形棱镜Ⅰ和第二块楔形棱镜Ⅱ的折射率差相同，因此出射光束偏转回原来的y'方向，但在x'方向上产生了横向位移，改变棱镜外加电压的大小，可产生动态的横向位移。光束传播原理如图2和图3所示，激光束沿y'方向射入第一块楔形棱镜Ⅰ，在第一块楔形棱镜Ⅰ和第二块楔形棱镜Ⅱ的相接面A产生光束方向的偏转，在第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ的相接面B再次产生光束方向的偏转，两次偏转产生的动态的横向位移为d。如图2和图3分别为两个不同方向的横向位移图示。

[0065] 由图4可知，x为A点到B点的长度，如图2，图3，图4中所示。图4为横向位移的计算原理图，由图可知：

[0066]

[0067]

[0068] d为产生的横向位移，

[0069] 其中，θ为偏转角，α为单个楔形棱镜的楔角。由上可计算出横向位移。

[0070] 下面给出采取不同型号的电光晶体经切割后激光束产生动态横向位移的实例，来进一步说明本发明。

[0071] 举例使用KDP电光晶体,其电光系数为γ=10.6pm/v，折射率为n0=1.512，令入射光束直径为3mm,l=30mm,l'=120mm,h=3mmD=5mm得电压与横向位移关系如图5所示。

[0072] 举例使用D-KDP电光晶体,其电光系数为γ=20.8pm/v，折射率为n0=1.508，令入射光束直径为3mm,l=50mm,l'=100mm,h=3mmD=5mm得电压与横向位移关系如图6所示。

[0073] 举例使用RTP电光晶体,其电光系数为γ=35pm/v，折射率为n0=2.15，令入射光束直径为3mm,l=50mm,l'=100mm,h=3mmD=8mm得电压与横向位移关系如图7所示。

[0074] 本发明根据实际应用的需求可采用不同的电光晶体,同时设置不同的晶体长度及切割的楔角大小可获得不同的横向位移。

[0075] 本发明的技术方案中，其方法所采取的电光棱镜不仅限于上述图1所示结构，还可以是按照图8所示第一块楔形棱镜Ⅰ、第二块楔形棱镜Ⅱ、第三块楔形棱镜Ⅲ和第四块楔形棱镜Ⅳ依次组合的长方体电光棱镜或为梯形结构，且满足2r＜D，其中，2r为激光束入射光束入瞳直径，D为楔形棱镜的宽度，D=2(dmax+r)，dmax为需要产生的最大横向位移。

[0076] 本发明的技术方案中，其方法所采取的电光棱镜的第二块楔形棱镜Ⅱ与第三块楔形棱镜Ⅲ的总长l'（l'=l1+l2）与激光束产生动态横向位移度成正比。

[0077] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案所保护的范围。

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