一种工业化贝塞尔脉冲激光系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及光纤激光加工技术领域，具体涉及一种工业化贝塞尔脉冲激光系统及其制造方法。
背景技术
贝塞尔光束是其幅度由第一类贝塞尔函数描述的电磁、声学引力辐射的场，贝塞尔光束是无衍射光束，贝塞尔光束在传播时不会衍射和扩散，所以许多光学设备都需要应用到贝塞尔光束，现有的产生贝塞尔光束的方法局限于空间领域，对环境要求极其苛刻，且系统整体的价格非常昂贵。
发明内容
为此，本发明提供了一种工业化贝塞尔脉冲激光系统及其制造方法，以解决现有技术中激光系统不能在工业化环境下产生超短脉冲贝塞尔光束的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，包括：
一个刻写轴棱锥系统。其包括：
一个飞秒激光器，其具有一个激光输出端，激光输出端能够输出飞秒激光脉冲。和
一个激光扩束单元，其具有一个光束输入端和一个光束输出端，激光扩束单元与飞秒激光器通过光路对应设置，光束输入端能够接收激光输出端输出的飞秒激光脉冲，激光扩束单元能够将激光束进行扩束，光束输出端能够输出扩束后的激光光束。和
一个控制装置，其具有一个控制输入端和一个控制输出端，控制装置与激光扩束单元通过光路对应设置，控制输入端能够接收光束输出端输出的激光光束，控制装置能够对激光光束进行功率调节，控制输出端能够输出进行功率调节后的激光光束。和
一个激光传输单元，其与激光扩束单元通过光路对应设置，激光传输单元能够将光束输出端输出的激光光束反射后再进行聚焦。
一个刻写单元，其包括一个石英块和一个位移平台，石英块设于位移平台，刻写单元与激光传输单元通过光路对应设置，经激光传输单元的激光光束能够将石英块刻写为轴棱锥。和
一个观察单元，其包括一个光源和一个电荷耦合元件，电荷耦合元件具有一个第一输入端和一个第一输出端，光源与刻写单元通过光路相对应设置，电荷耦合元件与刻写单元通过光路相对应设置，光源能够发出观察光束，观察光束通过光路流经刻写单元，第一输入端能够接收观察光束，第一输出端能够输出第一输入端接收到的观察光束。和
一个计算机，其具有一个控制器，控制器具有若干个第二输入端和若干个第二输出端，第二输入端与电荷耦合元件通过电或无线相连，第二输出端与控制装置通过电或无线相连。
一个贝塞尔脉冲激光系统，其包括：
一个超短脉冲激光器，其具有一个脉冲输出端，脉冲输出端能够输出超短脉冲激光。
一个贝塞尔输出端，其包括一个轴棱锥和一个准直器，轴棱锥与准直器相固接，轴棱锥由刻写轴棱锥系统制作而成，准直器具有一个第三输入端和一个第三输出端，第三输入端能够接收脉冲输出端输出的超短脉冲激光，准直器第三输入端与超短脉冲激光器通过光纤相连，准直器能够将进入准直器的超短脉冲激光转变为准直脉冲激光，第三输出端能够输出经准直器转变为准直脉冲激光，第三输出端输出端的准直脉冲激光流入轴棱锥，轴棱锥能为准直脉冲激光提供最长的无衍射距离。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步地，刻写轴棱锥系统还包括一个电光快门，电光快门设于激光扩束单元与控制装置之间的光路。
进一步地，电光快门与第二输出端通过电或无线相连。
第二输入端能够接收电荷耦合元件第一输出端输出的刻写结果信息。
进一步地，位移平台具有一个位移输入端，位移输出端与计算机的第二输出端通过电或无线连接，计算机控制器能够控制位移平台的位移，第二输出端能够输出控制器发出的位移信息，位移输入端能够接收第二输出端输出的位移信息。
进一步地，位移平台的中心处设有通孔，通孔方便观察光的流通情况。
进一步地，激光传输单元包括一个第一反射镜和一个物镜，第一反射镜与物镜通过光路相对应设置，第一反射镜与控制装置通过光路相连，物镜与石英块通过光路相连。
进一步地，刻写轴棱锥系统还包括一个功率测试器，功率测试器与激光传输单元通过光路对应设置，功率测试器具有一个功率输入端和一个功率输出端，功率输入端能够接收刻写单元中的激光束强度，功率输出端能够输出功率输入端接收到的激光束强度，控制器的第二输入端能够接收功率输出端输出的激光束强度。
进一步地，观察单元还包括一个第二反射镜，第二反射镜设于光源和电荷耦合元件之间的光路，第二反射镜与刻写单元对应设置。
一种的工业化贝塞尔脉冲激光系统的制造方法，其特征是，包括：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。
S1：打开飞秒激光器，飞秒激光器输出飞秒激光脉冲。将飞秒激光器与激光扩束单元通过光路相连，飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲通过光路进入激光扩束单元，飞秒激光脉冲在激光扩束单元完成扩束。
S2：将激光扩束单元与电光快门通过光路相连，扩束后的激光光束通过光路进入电光快门。将电光快门与计算机相连，计算机能够控制电光快门用于加工指令的开关。将控制装置与电光快门通过光路相连，控制装置为系统提供精密可控的激光功率值。
S3：将第一反射镜与控制装置通过光路相连，第一反射镜对激光束的反射率为99％，经过第一反射镜的激光束的传输角度会发生变化。将第一反射镜与物镜通过光路相连，第一反射镜能将经过扩束功率调节后激光束反射至物镜，物镜可将激光束进行聚焦。
S4:将第一物镜与刻写单元通过光路相连，刻写单元包括石英块与位移平台，石英块设于位移平台上，经物镜射出的聚焦后的激光束，对设于位移平台上的石英块进行刻写。
S5：将第二反射镜与位移平台通过光路设置，将光源与位移平台通过光路设置，光源发出观察光束，观察光束经光路进入第二反射镜，第二反射镜将进入的观察光束反射到位移平台。
S6:将电荷耦合元件与第二反射镜通过光路设置，观察光束经第二反射镜反射后进入电荷耦合元件。将功率测试器与第一反射镜通过光路相连，功率测试器能够接收刻写单元中的激光束强度。
S7：将计算机与控制装置、电荷耦合元件、位移平台、功率测试器和电光快门相连。计算机能够接收功率测试器和电荷耦合元件发出的信息，计算机能够输出信息控制电光快门、控制装置、位移平台。
S8：将超短脉冲激光器和准直器通过光纤相连，轴棱锥与准直器相固接，准直器第三输入端与超短脉冲激光器通过光纤相连，准直器能够将进入准直器的超短脉冲激光转变为准直脉冲激光，轴棱锥能为准直脉冲激光提供最长的无衍射距离。
本发明具有如下优点：
本发明的工业化贝塞尔脉冲激光系统，通过飞秒激光刻写石英块，使石英块形成底角可小于0.3°且折射率接近于1的微型轴棱锥，将微型轴棱锥作为工业化贝塞尔光束超短脉冲激光系统中的一部分，胶合于常规的全光纤型超短脉冲激光器，最终实现贝塞尔光束超短脉冲激光的输出，应用于工业化环境下的加工及新应用开发中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例的整体流程示意图。
图2为本发明实施例的整体结构示意图。
图3为本发明实施例的贝塞尔脉冲激光系统的整体结构流程图。
标号说明
飞秒激光器1，激光扩束单元2，激光传输单元3，第一反射镜31，物镜32，刻写单元4，石英块41，位移平台42，观察单元5，光源51，第二反射镜52，电荷耦合元件53，计算机6，电光快门61，功率测试器62，控制装置63，超短脉冲激光器7，贝塞尔输出端8，轴棱锥81，准直器82。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统及其制造方法，将飞秒激光器1、激光扩束单元2、激光传输单元3、刻写单元4、观察单元5、计算机6、电光快门61、控制装置63布置于一个操作台。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，飞秒激光器1的型号包括但不限于PHAROS 20W version Base Unit(20W)，飞秒激光器1具有一个激光输出端，激光输出端能够输出飞秒激光脉冲。用以通过飞秒激光器1输出飞秒激光脉冲。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，激光扩束单元2包括两个扩束镜，两个扩束镜的型号包括但不限于BEST-10.6-2Z，其具有一个光束输入端和一个光束输出端，激光扩束单元2与飞秒激光器1通过光路对应设置，光束输入端能够接收激光输出端输出的飞秒激光脉冲，激光扩束单元2能够将激光束进行扩束，光束输出端能够输出扩束后的激光光束。用以通过扩束镜进飞秒激光进行扩束。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，控制装置63的型号包括但不限于LK3，其具有一个控制输入端和一个控制输出端，控制装置63与激光扩束单元2通过光路对应设置，控制输入端能够接收光束输出端输出的激光光束，控制装置63能够对激光光束进行功率调节，控制输出端能够输出进行功率调节后的激光光束。用以通过控制装置63对激光光束进行功率调节。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，第一反射镜31的型号包括但不限于LLM0050-45-850-915，第一反射镜31与控制装置63通过光路相连。第一反射镜31对飞秒激光的反射率是99％，1％的透射率，用以通过第一反射镜31将经过第一反射镜31的激光光束进行反射。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，物镜32的型号包括但不限于CXW-5X,第一反射镜31与物镜32通过光路相对应设置，物镜32与石英块41通过光路相连。物镜32将激光光束进行聚焦。用以通过物镜32将经过的激光光束进行聚焦。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，刻写单元4，其包括一个石英块41和一个位移平台42，石英块41设于位移平台42，刻写单元4与激光传输单元3通过光路对应设置，经激光传输单元3的激光光束能够将石英块41刻写为轴棱锥81。用以通过位移平台42来操控石英块41的位置，通过激光光束将石英块41刻写成轴棱锥81。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，位移平台42具有一个位移输入端，位移输出端与计算机6的第二输出端通过电或无线连接，计算机6控制器能够控制位移平台42的位移，第二输出端能够输出控制器发出的位移信息，位移输入端能够接收第二输出端输出的位移信息。位移平台42的中心处设有通孔，用以通过通孔方便观察光的流通情况。
如图1-2所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，功率测试器62，功率测试器62与激光传输单元3通过光路对应设置，功率测试器62具有一个功率输入端和一个功率输出端，功率输入端能够接收刻写单元4中的激光束强度，功率输出端能够输出功率输入端接收到的激光束强度，控制器的第二输入端能够接收功率输出端输出的激光束强度。用以通过功率测试器62实时监测刻写系统中的光束强度变化，并反馈至计算机6中。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，观察单元5，其包括一个光源51和一个电荷耦合元件53，电荷耦合元件53具有一个第一输入端和一个第一输出端，光源51与刻写单元4通过光路相对应设置，电荷耦合元件53与刻写单元4通过光路相对应设置，光源51能够发出观察光束，观察光束通过光路流经刻写单元4，第一输入端能够接收观察光束，第一输出端能够输出第一输入端接收到的观察光束。用以通过观察单元5观察石英块41的实时刻写结果，并作出相应的调整。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，观察单元5还包括一个第二反射镜52，第二反射镜52设于光源51和电荷耦合元件53之间的光路，第二反射镜52与刻写单元4对应设置。用以通过第二反射镜52将观察光束反射到位移平台42。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，电光快门61的型号包括但不限于AR-11,电光快门61设于激光扩束单元2与控制装置63之间的光路。电光快门61与第二输出端通过电或无线相连。第二输入端能够接收电荷耦合元件53第一输出端输出的刻写结果信息。用以通过电光快门61控制整个系统的开关。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，计算机6，其具有一个控制器，控制器具有若干个第二输入端和若干个第二输出端，第二输入端与电荷耦合元件53通过电或无线相连，第二输出端与控制装置63通过电或无线相连。用以通过计算机6接收信息并根据接收的来自功率测试器62和电荷耦合元件53的信息从而控制位移平台42和电光快门61作出适当的调整。
具体理论依据如下：
首先，由贝塞尔光束传输理论可知，轴棱锥81底角γ是非常重要的一个参数，决定了贝塞尔光束的最大无衍射距离，另外，轴棱锥81的折射率n也是影响最大无衍射距离的另一个重要参数。
其中R指入射光束的光束半径，θ是指经过轴棱锥81后的出射贝塞尔光束会聚角，
θ＝(n-1)γ(2)
其次，由于飞秒激光脉冲经过精确衰减后，以石英玻璃的损伤阈值能量进入显微物镜32后，焦点大小可聚焦至λ/2，经过飞秒激光刻写后的石英玻璃将相对与未刻写的部分，折射率发生改变，增加量在10-3量级。
再次，根据几何三角关系式及轴棱锥81结构特点，微型轴棱锥81的高度h为：
对于给定的激光波长λ，则可计算出需要刻写的层数N
而每层刻写的长度L将是一个变化的数值：
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，本发明中，以较为常见的绿光波长515nm，计算得到需要刻写的层数约为9层，并计算出每层需刻写的长度刻写出石英材料内的长度，经过严格精密的控制，最终得到在石英样品中刻写出的轴棱锥81结构。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，超短脉冲激光器7的型号包括但不限于LS-2136LP，其具有一个脉冲输出端，脉冲输出端能够输出超短脉冲激光。用以通过超短脉冲激光器7输出脉冲激光。
如图3所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，贝塞尔输出端8，其包括一个轴棱锥81和一个准直器82，准直器82的型号包括但不限于50-630，轴棱锥81与准直器82相固接，轴棱锥81由刻写轴棱锥81系统制作而成，准直器82具有一个第三输入端和一个第三输出端，第三输入端能够接收脉冲输出端输出的超短脉冲激光，准直器82第三输入端与超短脉冲激光器7通过光纤相连。
如图3所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，准直器82能够将进入准直器82的超短脉冲激光转变为准直脉冲激光，第三输出端能够输出经准直器82转变为准直脉冲激光，第三输出端输出端的准直脉冲激光流入轴棱锥81，轴棱锥81能为准直脉冲激光提供最长的无衍射距离。用以通过轴棱锥81将激光脉冲转变为贝塞尔光束。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，位移平台42具有一个位移输入端，位移输出端与计算机6的第二输出端通过电或无线连接，计算机6控制器能够控制位移平台42的位移，第二输出端能够输出控制器发出的位移信息，位移输入端能够接收第二输出端输出的位移信息。位移平台42的中心处设有通孔，通孔方便观察光的流通情况。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，刻写轴棱锥81系统还包括一个功率测试器62，功率测试器62与激光传输单元3通过光路对应设置，功率测试器62具有一个功率输入端和一个功率输出端，功率输入端能够接收刻写单元4中的激光束强度，功率输出端能够输出功率输入端接收到的激光束强度，控制器的第二输入端能够接收功率输出端输出的激光束强度。
如图1所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，观察单元5还包括一个第二反射镜52，第二反射镜52设于光源51和电荷耦合元件53之间的光路，第二反射镜52与刻写单元4对应设置。
如图1-3所示，本发明提供一种工业化贝塞尔脉冲激光系统，工业化贝塞尔脉冲激光系统的制造方法，其特征是，包括：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。
S1：打开飞秒激光器1，飞秒激光器1输出飞秒激光脉冲。将飞秒激光器1与激光扩束单元2通过光路相连，飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲通过光路进入激光扩束单元2，飞秒激光脉冲在激光扩束单元2完成扩束。
S2：将激光扩束单元2与电光快门61通过光路相连，扩束后的激光光束通过光路进入电光快门61。将电光快门61与计算机6相连，计算机6能够控制电光快门61用于加工指令的开关。将控制装置63与电光快门61通过光路相连，控制装置63为系统提供精密可控的激光功率值。
S3：将第一反射镜31与控制装置63通过光路相连，第一反射镜31对激光束的反射率为99％，经过第一反射镜31的激光束的传输角度会发生变化。将第一反射镜31与物镜32通过光路相连，第一反射镜31能将经过扩束功率调节后激光束反射至物镜32，物镜32可将激光束进行聚焦。
S4:将第一物镜32与刻写单元4通过光路相连，刻写单元4包括石英块41与位移平台42，石英块41设于位移平台42上，经物镜32射出的聚焦后的激光束，对设于位移平台42上的石英块41进行刻写。
S5：将第二反射镜52与位移平台42通过光路设置，将光源51与位移平台42通过光路设置，光源51发出观察光束，观察光束经光路进入第二反射镜52，第二反射镜52将进入的观察光束反射到位移平台42。
S6:将电荷耦合元件53与第二反射镜52通过光路设置，观察光束经第二反射镜52反射后进入电荷耦合元件53。将功率测试器62与第一反射镜31通过光路相连，功率测试器62能够接收刻写单元4中的激光束强度。
S7：将计算机6与控制装置63、电荷耦合元件53、位移平台42、功率测试器62和电光快门61相连。计算机6能够接收功率测试器62和电荷耦合元件53发出的信息，计算机6能够输出信息控制电光快门61、控制装置63、位移平台42。
S8：将超短脉冲激光器7和准直器82通过光纤相连，轴棱锥81与准直器82相固接，准直器82第三输入端与超短脉冲激光器7通过光纤相连，准直器82能够将进入准直器82的超短脉冲激光转变为准直脉冲激光，轴棱锥81能为准直脉冲激光提供最长的无衍射距离。
该工业化贝塞尔脉冲激光系统的使用过程如下：
使用时，操作人员将飞秒脉冲激光器1打开，飞秒激光器1输出飞秒激光脉冲，激光脉冲经激光扩束单元2扩束后经过由计算机6控制的电光快门61，控制装置63为整个系统提供精密可控的激光功率值，第一反射镜31将经过激光扩束单元2扩束后的激光束反射到物镜32，物镜32将经过的激光束聚焦。
聚焦后的激光束对位于位移平台42上的石英块41进行刻写，光源51可作为观察光源51，光源51发出的激光，经过第二反射镜52反射经过位移平台42，使得电荷耦合元件53可以观察到石英块41的实时刻写结果，并根据实时刻写结果作出相应的调整，功率测试器62实时加测刻写系统中的光束强度变化，并反馈到计算机6上，计算机6可根据接收到的信息对电光快门61发出指令，计算机6可控制位移平台42的移动。
将超短脉冲激光器7和准直器82通过光纤相连，轴棱锥81与准直器82相固接，准直器82第三输入端与超短脉冲激光器7通过光纤相连，准直器82能够将进入准直器82的超短脉冲激光转变为准直脉冲激光，轴棱锥81能为准直脉冲激光提供最长的无衍射距离。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
