本实用新型专利技术涉及一种光束分束平行输出装置，其包括：沿着光轴依次布置的衍射分束元件、平板状的光学窗口片和聚焦光学元件；所述光学窗口片具有一入射表面和一出射表面，并且所述入射表面和所述出射表面均镀有反射层；在所述入射表面，所述反射层的对应于所述光轴的中心区域开设有透光区域；在所述出射表面，所述反射层中开设有多个透光区域，位于所述出射表面的所述透光区域的数目与所述衍射分束元件的分束数目N相同。本申请能够在保证各子光束的光束质量(例如子光束平行度)的前提下，缩短衍射分束元件与聚焦透镜之间的轴向间距，从而帮助光束分束平行输出装置实现小型化。助光束分束平行输出装置实现小型化。助光束分束平行输出装置实现小型化。
【技术实现步骤摘要】
一种光束分束平行输出装置
[0001]本技术涉及光学器件
，具体来说，本技术涉及一种光束分束平行输出装置。
技术介绍
[0002]衍射分束元件是一种典型的衍射光学元件(又称为DOE)，它能够将一束入射激光分成多束子光束，这些子光束投射到工作平面，可以实现激光刻划、激光切割、激光钻孔等多种类型的应用。例如，在太阳能电池制造领域，可以将多束子光束等间距地投射到工作平面，以实现太阳能电池的批量化的激光刻划；在液晶显示器制造领域，可以将多束子光束等间距地投射到工作平面，以实现液晶显示器的批量化的激光切割；此外，衍射分束元件还可以用于输出多个子光束以对香烟过滤嘴进行批量化的激光钻孔。除以上应用外，衍射分束元件还可以用于激光功率监控，以实现光束取样；还可以用于三维传感技术(例如在Kinect中实现三维传感)；还可以用于皮肤治疗及美容。
[0003]现有技术中，衍射分束元件的输出子光束通常存在夹角，零级子光束以外的其他子光束会倾斜地投射到工作平面上。因此，衍射分束元件的一个重要参数是衍射后出射激光的角间距。比如，如果相邻角间距为20mrad(毫弧度)，那么当工作距离为1000mm(毫米)时，出射后相邻两束激光之间的距离约为20mm；而当工作距离为1500mm时，出射后相邻两束激光之间的距离约为30mm。可以看出，这种输出方式下，工件表面的被分束的各个激光子光束之间的距离会随工作距离的加大而变大。在一些应用场景中，为确保各子光束在工作面上的间距满足设计要求，衍射分束元件与工作平面的间距必须准确，这就给光路系统的组装精度提出了较高的要求。而激光输出设备与工作平面通常是两个独立的设备，将二者装配在一起的组装精度有时难以达到所需的精度要求。更为严重的是，当零级子光束以外的其他子光束倾斜地投射到工作平面上时，使用这样的子光束进行机械加工(如钻孔)将无法获得与工件表面垂直的孔或加工截面，难以满足实际应用场景的使用需求。
[0004]为克服以上问题，市面上出现了一类将衍射分束元件与聚焦透镜组合使用的等间距分束输出装置。等间距分束输出即各子光束在分束后平行输出。图1示出了一种典型的等间距分束输出装置的光路示意图。参考图1，可以在衍射分束元件1后方焦距f的位置处设置聚焦透镜3(f为该聚焦透镜3的焦距)，该聚焦透镜3可以对衍射分束元件1输出的每一子光束在给定的距离下聚焦，从而将等角度输出的各个子光束转换为平行于光轴的多个子光束。各个平行子光束的间距不受工作平面位置的影响，为激光输出设备和工作平面的搭建降低了难度。并且，由于各子光束可以垂直地投射到工作平面上，相比倾斜投射的光束，可以具有质量更优异的投射光斑质量，从而提升激光加工(或激光治疗)精度。另一方面，聚焦透镜和衍射分束元件距离通常远小于衍射分束元件到工作平面的距离，因此可以将聚焦透镜和衍射分束元件组装在一个光学支架(例如镜筒)内，以便于该分束器件的使用。
[0005]理论上说，只要聚焦透镜和衍射分束元件之间的距离等于透镜焦距，出射子光束就能平行输出，衍射分束元件出射子光束之间距离仅取决与工作距离(或透镜焦距)和衍射
分束元件出射光之间的夹角，而衍射分束元件出射光之间的夹角与衍射元件和透镜之间的距离(即透镜焦距)无关，因此，理论上聚焦透镜和衍射分束元件之间的距离的选择(即透镜焦距的选择)对出射光束的角度是没有影响的。然而，受到实际工艺条件的限制，聚焦透镜和衍射分束元件之间的距离(即衍射分束元件与聚焦透镜之间的轴向间距，轴向间距指光轴方向上的间距)难以无限缩小。或者说，如果聚焦透镜和衍射分束元件之间的距离过小，那么所输出的子光束的平行度或者子光束本身的光斑质量将会明显劣化。具体来说，当聚焦透镜和衍射分束元件之间的轴向距离减小时，需要聚焦透镜具有更大的数值孔径，而大数值孔径是存在极限的，在实际加工中数值孔径过大的透镜是无法制造的。退一步说，即使可以制造出大数值孔径的透镜，该大数值孔径的透镜也存在像差过大(数值孔径的增大往往将导致所有六种像差增大)的问题，像差过大将导致出射子光束出现畸变，难以满足实际应用场景的使用需求。并且，更大的数值孔径还使聚焦透镜的焦深变短，导致对其装配精度的要求大幅提高，进而增大组装偏差。另一方面，聚焦透镜和衍射分束元件之间的轴向距离减小，还会导致衍射分束元件需要具备更大的衍射角度，当衍射角度过大时，衍射分束元件本身的实际制造工艺的精度也难以达到要求，从而导致出射子光束出现难以控制的畸变。
[0006]对于聚焦透镜的像差问题，一种解决思路是使用等效的球面菲涅尔透镜来代替聚焦透镜。相比传统的聚焦透镜，球面菲涅尔透镜可以解决数值孔径较大的聚焦透镜无法制造的问题，然而其仍然存在球差较大的缺点。球差过大导致无法获得平行输出的子光束。具体来说，当最外侧的大角度子光束沿光轴平行输出时，内侧的小角度子光束和光轴的夹角呈发散状态(图2示出了一种基于球面菲涅尔透镜的等间距分束输出装置的内侧光束呈发散状态的示意图，其中球面菲涅尔透镜4代替了图1中的聚焦透镜3，衍射分束元件1则未在图2中示出)；而当最内侧的小角度子光束沿光轴平行输出时，外侧的大角度子光束和光轴的夹角呈会聚状态(图3示出了一种基于球面菲涅尔透镜的等间距分束输出装置的外侧光束呈会聚状态的示意图，其中球面菲涅尔透镜4代替了图1中的聚焦透镜3，衍射分束元件1则未在图3中示出)。也就是说，对于球面菲涅尔透镜来说，因其球差过大，将难以保证内侧和外侧的子光束同时保持平行输出的状态。
[0007]图3示出了一种基于球面菲涅尔透镜的等间距分束输出装置的外侧光束呈会聚状态的示意图
[0008]综上所述，上述聚焦透镜、衍射分束元件制造和组装上的难题导致光束分束平行输出装置的尺寸仍然较大。而另一方面，市场对光学器件小型化的要求不断提升，因此，当前迫切需要一种能够在保证各子光束的光束质量(例如子光束平行度)的前提下，缩短衍射分束元件与聚焦透镜之间的轴向间距。
技术实现思路
[0009]本技术的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种能够在保证各子光束的光束质量(例如子光束平行度)的前提下，缩短衍射分束元件与聚焦透镜之间的轴向间距的解决方案。
[0010]为解决上述技术问题，本技术提供了一种光束分束平行输出装置，其包括：沿着光轴依次布置的衍射分束元件和聚焦光学元件；其特征在于，所述衍射分束元件和所述聚焦光学元件之间还设置有平板状的光学窗口片，所述光学窗口片具有一入射表面和一出
射表面，并且所述入射表面和所述出射表面均镀有反射层；在所述入射表面，所述反射层的对应于所述光轴的中心区域开设有透光区域；在所述出射表面，所述反射层中开设有多个透光区域，位于所述出射表面的所述透光区域的数目与所述衍射分束元件的分束数目N相同；单个所述透光区域的尺寸是所述镀膜距离参数的1～1.05倍；所述镀膜距离参数是激光光斑直径的1.122～1.518倍。
[0011]其中，所述衍射分束元件出射的多个衍射子光束中至少包括第一衍射级别的子光束和第二衍射级别的子光束，且所述第一衍射级别的子光束和所述第二衍射级本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光束分束平行输出装置，其包括：沿着光轴依次布置的衍射分束元件和聚焦光学元件；其特征在于，所述衍射分束元件和所述聚焦光学元件之间还设置有平板状的光学窗口片，所述光学窗口片具有一入射表面和一出射表面，并且所述入射表面和所述出射表面均镀有反射层；在所述入射表面，所述反射层的对应于所述光轴的中心区域开设有透光区域；在所述出射表面，所述反射层中开设有多个透光区域，位于所述出射表面的所述透光区域的数目与所述衍射分束元件的分束数目N相同；单个所述透光区域的尺寸是镀膜距离参数的1～1.05倍；所述镀膜距离参数是激光光斑直径的1.122～1.518倍。2.根据权利要求1所述的光束分束平行输出装置，其特征在于，所述衍射分束元件出射的多个衍射子光束中至少包括第一衍射级别的子光束和第二衍射级别的子光束，且所述第一衍射级别的子光束和所述第二衍射级别的子光束在经过所述光学窗口片的反射后位置互换，所述位置互换是：原先靠近光轴一侧的子光束的位置变换到远离光轴一侧，原先远离光轴一侧的子光束的位置变换到靠近光轴的一侧。3.根据权利要求2所述的光束分束平行输出装置，其特征在于，所述第一衍射级别的子光束的衍射角小于所述第二衍射级别的子光束的衍射角，所述光学窗口片的镀有反射层的区域及其透光区域使得所述第一衍射级别的子光束在所述光学窗口片内的反射次数大于所述第二衍射级别的子光束，从而使得所述第一衍射级别的子光束和所述第二衍射级别的子光束在经过所述光学窗口片的反射后位置互换。4.根据权利要求3所述的光束分束平行输出装置，其特征在于，所述第一衍射级别的子光束的衍射半角大于6度，所述第一衍射级别的子光束的衍射半角和所述第二衍射级别的子光束的衍射半角的差值至少为2.5度或者至少为所述第二衍射级别的子光束的衍射半角的15％。5.根据权利要求3所述的光束分束平行输出装置，其特征在于，所述第一衍射级别的子光束的衍射半角是所述第二衍射级别的子光束的衍射半角的1.5倍以上。6.根据权利要求1所述的光束分束平行输出装置，其特征在于，所述聚焦光学元件为聚焦透镜；或者所述聚焦光学元件为与聚焦透镜等效的球面菲涅尔透镜。7....
【专利技术属性】
技术研发人员：刘劲松，
申请(专利权)人：无锡奥普顿光电子有限公司，
类型：新型
国别省市：
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