專利名稱：激光光束轉換裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種激光光束轉換裝置及方法，尤其涉及一種將一主激光光束轉換為具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束，并分別將其聚焦于一第一焦點及一第二焦點的激光光束轉換裝置及方法。
背景技術：
伴隨著科技的進步，各式科技產品主流趨勢已逐漸朝輕薄短小的方向發展，現有的傳統加工技術，諸如模具沖壓、鉆孔以及切削等等的方式，因其精密度受限于本身的特質，已無法滿足一般業界的需求以及消費者的期待。相比之下，激光因為具有單色性、低發散性、高能量密度以及高度相干性等特點，因而賦予了激光加工技術具備如加工密度高、可提供較精細的作業以及可進行非接觸性加工等優勢。進而，激光加工技術已被廣泛地應用于現在的諸多產業之中，并且已漸漸地取代傳統的加工方式。·不過，縱然現今使用在產業的激光加工技術已具有相當成熟性，但仍存在有其局限，例如現有技術在材料上進行激光加工以及量測作業時，常需依據不同的外觀設計，在同一區域上設定相異的焦點位置，或在不同厚度上重復至少二次或以上的激光加工掃描步驟，尤其，當被加工物的厚度或表面具有較大的數值變化時，更是會倍數增加重復進行激光加工掃描的次數，因此，由于前述激光加工掃描步驟次數的增加，也就連帶地使加工時間更長，從而導致生產效率的降低，并且還可能進一步延伸出重復掃描時的定位偏移的問題。因此，如何提供一激光光束轉換裝置及方法，使入射的單一激光光束可形成具有相異二焦點的二個次激光光束，從而提高生產效率與加工品質，則為業界所亟需共同努力的目標。
發明內容
本發明的一目的在于提供一種激光光束轉換裝置，使入射的一單一主激光光束可形成具有相異二焦點的二個次激光光束，從而減少激光加工時所需的掃描次數，以進一步提聞生廣效率。本發明的又一目的在于提供一種可分別調整二個次激光光束的能量大小以及焦點位置的激光光束轉換裝置，使其可因應不同的加工需求，針對相同的材料或表面進行相異二焦點的激光加工及量測作業。為達到上述目的，本發明提供的激光光束轉換裝置包含一極化偏轉元件、一分光元件、一第一光學模塊、一第二光學模塊以及一第三光學模塊；—極化偏轉兀件,用以接收一主激光光束，并將其轉換為具有一第一偏振方向之一的一第一次激光光束和具有一第二偏振方向之一的一第二次激光光束后射入分光元件；一分光元件，用以接收來自該極化偏轉元件的該第一次激光光束及該第二次激光光束，且允許具有該第一偏振方向的該第一次激光光束穿透，并反射具有該第二偏振方向的該第二次激光光束；一第一光學模塊，鄰設在該分光元件的一第一側邊，以接收并反射該第二次激光光束；一第二光學模塊，鄰設在該分光元件的一第二側邊，以接收并反射該第一次激光光束及該第二次激光光束其中之一；以及一第三光學模塊，鄰設在該分光元件的一第三側邊；其中，具有該第一偏振方向的該第一次激光光束及具有該第二偏振方向的該第二次激光光束經該分光元件、該第一光學模塊、該第二光學模塊及該第三光學模塊的轉換后，分別聚焦于相異的一第一焦點及一第二焦點。本發明還提供一種激光光束轉換方法，該方法包括以下步驟(a)將一主激光光束轉換為具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第·二偏振方向的一第二次激光光束；(b)將具有該第一偏振方向的該第一次激光光束聚焦于一第一焦點；以及(C)將具有該第二偏振方向的該第二次激光光束聚焦于與該第一焦點相異的一第~■焦點。為讓上述目的、技術特征、和優點能更明顯易懂，下文將以較佳實施例配合所示附圖進行詳細說明。
圖I為本發明激光光束轉換裝置的立體示意圖；圖2為本發明激光光束轉換裝置實施例一的示意圖；圖3為本發明激光光束轉換裝置實施例二的示意圖；圖4為本發明激光光束轉換裝置實施例三的示意圖；圖5為本發明激光光束轉換裝置實施例四的示意圖；圖6為本發明激光光束轉換方法實施例一的步驟示意圖；圖7為本發明激光光束轉換方法實施例二的步驟示意圖。附圖標記說明I :激光光束轉換裝置；2 :主激光光束；21 :具有第一偏振方向P的第一次激光光束；22 :具有第二偏振方向S的第二次激光光束；23 :具有第一偏振方向P的第二次激光光束；24 :具有第二偏振方向S的第一次激光光束；3 :極化偏轉元件；4 :分光元件；5 :第一光學模塊；51 :第一次極化偏轉元件；52 :第一反射元件；53 :第三次極化偏轉元件；
6 :第二光學模塊；61 :第二次極化偏轉元件；62:第二反射元件；63 :第一透鏡；64 :第四次極化偏轉元件；7 :第三光學模塊；71 :第二透鏡；8 :工件；·
81 :第一焦點；82:第二焦點。
具體實施例方式圖I為本發明激光光束轉換裝置的立體示意圖。如圖I所示，當一主激光光束2入射于激光光束轉換裝置I后，其將通過激光光束轉換裝置I內部元件的反射及轉換，而成為具有第一偏振方向P的第一次激光光束21和具有第二偏振方向S的第二次激光光束22后射出，并分別在一工件8上形成一第一焦點81及與第一焦點81相異的一第二焦點82,以針對工件8的表面進行相異二焦點的激光加工作業，進而提高生產效率。圖2為本發明激光光束轉換裝置實施例一的示意圖。如圖2所示，本發明的激光光束轉換裝置I包含一極化偏轉元件3、一分光元件4、一第一光學模塊5、一第二光學模塊6以及一第三光學模塊7。在本實施例中,第一光學模塊5與第二光學模塊6相對設置,且第三光學模塊7與極化偏轉元件3相對設置。此外，本發明的分光元件4具有允許具有第一偏振方向P的激光光束穿透，且反射具有第二偏振方向S的激光光束的特性。詳細而言，在本實施例中，第一光學模塊5較佳可包含一第一次極化偏轉元件51和一第一反射元件52，第二光學模塊6較佳可包含一第二次極化偏轉元件61、一第二反射元件62和一第一透鏡63，且第三光學模塊7較佳為一第二透鏡71。其中，第一次極化偏轉元件51具有使具有第二偏振方向S的激光光束轉換為具有第一偏振方向P的激光光束，且允許具有第一偏振方向P的激光光束穿透的特性。相似地，第二次極化偏轉元件61具有使具有第一偏振方向P的激光光束轉換為具有第二偏振方向S的激光光束,且允許具有第二偏振方向S的激光光束穿透的特性。以下將分別針對具有第一偏振方向P的第一次激光光束21、以及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22的光束行進路線進行說明。請再次參照圖2，并請同時參照圖I。首先，當具有第一偏振方向P的第一次激光光束21入射于分光元件4后，由于分光元件4允許具有第一偏振方向P的激光光束通過，所以，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光兀件4,并通過第三光學模塊7 (即第二透鏡71)的作用，聚焦在工件8上的第一焦點81。在此同時，當具有第二偏振方向S的第二次激光光束22入射于分光兀件4后，由于分光兀件4會反射具有第二偏振方向S的激光光束，因此，具有第二偏振方向S的第二次激光光束22被分光兀件4所反射,繼而進入第一光學模塊5。其后,具有第二偏振方向S的第二次激光光束22將被第一光學模塊5的第一次極化偏轉元件51轉換成具有第一偏振方向P的第二次激光光束23，并經第一光學模塊5的第一反射元件52反射后，依序入射與穿透第一次極化偏轉元件51與分光元件4，而抵達相對于第一光學模塊5設置的第二光學模塊6。緊接著，具有第一偏振方向P的第二次激光光束23將先通過第二光學模塊6的第一透鏡63，且第二光學模塊6的第二次極化偏轉元件61再次將具有第一偏振方向P的第二次激光光束23轉換為具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，并利用第二光學模塊6的第二反射元件62將其反射，而依序入射及穿透第二次極化偏轉元件61與第一透鏡63后，到達分光兀件4。最后,分光兀件4將再次地反射具有第二偏振方向S的第二次激光光束22,并通過第三光學模塊7 (即第二透鏡71)將其聚焦于與第一焦點81相異的第二焦點82，從而完成本發明的將單一主激光光束2轉換為具有二相異焦點的二個次激光光束的目的。在本實施例中，設置在第二光學模塊6的第一透鏡63用以改變入射的具有第一偏振方向P的第二次激光光束23的擴散角。藉此，二相異的激光光束將會因為通過的透鏡數的不同，而具有相異的擴散角，進一步得以在工件8上形成水平位置相異的二焦點。此外，若將極化偏轉元件3旋轉，亦可協助調整具有第一偏振方向P的第一次激光光束21與具有第二偏振方向S的第二次激光光束22間的能量比例，以控制激光加工的深度。
圖3為本發明激光光束轉換裝置實施例二的示意圖。如圖3所示，其中，實施例二的各元件的配置方式，基本上相似于實施例一，都包含極化偏轉元件3、分光元件4、第一光學模塊5、第二光學模塊6以及第三光學模塊7等元件。并且同樣地，第一光學模塊5與第二光學模塊6相對設置，且第三光學模塊7與極化偏轉元件3相對設置。實施例二與實施例一的相異處在于，原本設置在實施例一的第一光學模塊5所包含的第一次極化偏轉元件51和第一反射兀件52被一第三次極化偏轉兀件53取代,而原本設置在第二光學模塊6的第二次極化偏轉元件61和第二反射元件62被一第四次極化偏轉元件64取代。如此一來，第三次極化偏轉元件53將同樣具備將具有第二偏振方向S的第二次激光光束22轉換為具有第一偏振方向P的第二次激光光束23后并反射的功用，且第四次極化偏轉兀件64亦同樣具備將具有第一偏振方向P的第二次激光光束23轉換為具有第二偏振方向S的第二次激光光束22后并反射的作用。由于實施例二所公開的元件數量較實施例一為少，故其將有助于縮小激光光束轉換裝置I的體積，以進行更為精確的激光定位作業。圖4為本發明激光光束轉換裝置實施例三的示意圖。同樣相似于實施例一，激光光束轉換裝置I包含極化偏轉元件3、分光元件4、第一光學模塊5、第二光學模塊6以及第三光學模塊7等元件。然而，與實施例一不同之處在于，實施例三所公開的第一光學模塊5與第三光學模塊7相對設置，且第二光學模塊6與極化偏轉元件3相對設置。此外，由于實施例三的各元件的較佳實施態樣都與實施例一相同，故各元件的功用在此不多贅述。以下將針對具有第一偏振方向P的第一次激光光束21、以及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22在實施例三中的光束行進路線進行說明。如圖4所示，并請同時參照圖I。首先，當具有第一偏振方向P的第一次激光光束21入射于分光元件4后，由于分光元件4允許具有第一偏振方向P的激光光束通過，所以，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光元件4，而抵達相對于極化偏轉元件3設置的第二光學模塊6。接著，具有第一偏振方向P的第一次激光光束21將先通過第二光學模塊6的第一透鏡63，且第二光學模塊6的第二次極化偏轉元件61將具有第一偏振方向P的第一次激光光束21轉換為具有第二偏振方向S的第一次激光光束24，并利用第二光學模塊6的第二反射元件62將其反射，而入射及穿透第二次極化偏轉元件61與第一透鏡63，到達分光兀件4。之后,分光兀件4將反射具有第二偏振方向S的第一次激光光束24,并通過第三光學模塊7 (即第二透鏡71)將其聚焦于工件8的第一焦點81。在此同時，當具有第二偏振方向S的第二次激光光束22入射于分光兀件4后，由于分光兀件4會反射具有第二偏振方向S的激光光束，因此具有第二偏振方向S的第二次激光光束22被分光兀件4所反射,繼而進入第一光學模塊5。其后,具有第二偏振方向S的第二次激光光束22將被第一光學模塊5的第一次極化偏轉元件51轉換成具有第一偏振方向P的第二次激光光束23，并經第一光學模塊5的第一反射元件52反射后，依序入射與穿透第一次極化偏轉元件51與分光元件4，并通過第三光學模塊7 (即第二透鏡71)將其聚焦于與第一焦點81相異的第二焦點82,從而完成本發明的將單一主激光光束2轉換為具有相異二焦點的二個次激光光束的目的。并且，為進一步縮小激光光束轉換裝置I的體積，亦可利用第三次極化偏轉元件53取代原本設置在第一光學模塊5內的第一次極化偏轉兀件51和第一反射兀件52,并且·以第四次極化偏轉元件64取代原本設置在第二光學模塊6內的第二次極化偏轉元件61和第二反射元件62，使其成為如圖5所示的實施例四的態樣。此外，由于實施例四的光束行進路線都相同于實施例三，故在此不多贅述。在本發明中，主激光光束2為具有單一偏振方向的激光光束，極化偏轉兀件3為一1/2波片或其他等效元件，且第一次極化偏轉元件51及第二次極化偏轉元件61為穿透式極化偏轉元件，如1/4玻片或其他等效元件。同時，第三次極化偏轉元件53和第四次極化偏轉元件64則為反射式極化偏轉元件,如極化旋轉鏡或其他等效元件。第一反射元件52及該第二反射元件62為反射鏡或其他等效元件，且分光元件4為極化分光鏡。圖6為本發明激光光束轉換方法實施例一的步驟示意圖。請同時參照圖2與圖3。當第一光學模塊5與第二光學模塊6相對設置，且第三光學模塊7與極化偏轉元件3相對設置時，本發明的激光光束轉換方法具有下列步驟如步驟901所示，將主激光光束2通過極化偏轉元件3轉換為具有第一偏振方向P的第一次激光光束21及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22。接著如步驟902所示，使具有第一偏振方向P的第一次激光光束21穿透分光元件4，并通過第三光學模塊7直接聚焦于第一焦點81。最后，如步驟903所示，使具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，在激光光束轉換裝置I內部經過兩次轉換步驟與四次反射步驟后，通過第三光學模塊7聚焦于與第一焦點81相異的第二焦點82。圖7為本發明激光光束轉換方法實施例二的步驟示意圖。請同時參照圖4與圖5。當第一光學模塊5與第三光學模塊7相對設置，且第二光學模塊6與極化偏轉元件3相對設置時，本發明的激光光束轉換方法具有下列步驟如步驟901所示，將主激光光束2通過極化偏轉元件3轉換為具有第一偏振方向P的第一次激光光束21及具有第二偏振方向S的第二次激光光束22。接著如步驟904所示，使具有第一偏振方向P的第一次激光光束21，在激光光束轉換裝置I內部經過一次轉換步驟與兩次反射步驟后，通過第三光學模塊7聚焦于第一焦點81。之后，如步驟905所示，使具有第二偏振方向S的第二次激光光束22，在激光光束轉換裝置I內部經過一次轉換步驟與兩次反射步驟后，通過第三光學模塊7聚焦于與第一焦點81相異的第二焦點82。綜上所述，本發明的特色在于通過入射單一主激光光束于本發明的激光光束轉換裝置，便可獲得具有相異二焦點的二個次激光光束，以針對相同物件的不同厚度或表面進行加工及量測作業。換言之，當本發明的激光光束轉換裝置I具有如圖2所示的實施例一及圖3所示的實施例二的態樣時，通過主激光光束2所形成的具有第一偏振方向P與第二偏振方向S的二個次激光光束將于激光光束轉換裝置I內傳輸。此時，具有第一偏振方向P的第一次激光光束將直接穿透分光元件4，并入射第三光學模塊7而聚焦于第一焦點
81。并且,具有第二偏振方向S的第二次激光光束將于激光光束轉換裝置I內完成兩次的轉換步驟及四次的反射步驟后，入射第三光學模塊7而聚焦于第二焦點82。另一方面，當本發明的激光光束轉換裝置I具有如圖4所示的實施例三及圖5所不的實施例四時，通過主激光光束2所形成的具有第一偏振方向P與第二偏振方向S的二個次激光光束將于激光光束轉換裝置I內傳輸，此時，該二個次激光光束都會于激光光束轉換裝置I內各進行一次的轉換步驟與兩次的反射步驟后，入射第三光學模塊7并分別聚 焦于第一焦點81及第二焦點82，從而達到本發明的減少激光加工時的掃描次數，同時提高生產效率的目的。此外，本發明所述的第一偏振方向與第二偏振方向并非被限制需具有如前所述的態樣。換言之，第一偏振方向與第二偏振方向除可分別為P偏振方向與S偏振方向外,兩者亦可相互交換，使其分別為S偏振方向與P偏振方向，如此的置換并不會對本發明的結果產生影響。最后應說明的是以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。
權利要求
1.一種激光光束轉換裝置，其特征在于，包含 一極化偏轉元件，用以接收一主激光光束并將其轉換為具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束； 一分光元件，用以接收來自該極化偏轉元件的該第一次激光光束及該第二次激光光束，且允許具有該第一偏振方向的該第一次激光光束穿透，并反射具有該第二偏振方向的該第二次激光光束； 一第一光學模塊，鄰設在該分光元件的一第一側邊，以接收并反射該第二次激光光束； 一第二光學模塊，鄰設在該分光元件的一第二側邊，以接收并反射該第一次激光光束 及該第二次激光光束其中之一；以及 一第三光學模塊，鄰設在該分光元件的一第三側邊； 其中，具有該第一偏振方向的該第一次激光光束及具有該第二偏振方向的該第二次激光光束經該分光元件、該第一光學模塊、該第二光學模塊及該第三光學模塊的轉換后，分別聚焦于相異的一第一焦點及一第二焦點。
2.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一側邊與該第二側邊是為相對設置。
3.根據權利要求2所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，具有該第一偏振方向的該第一次激光光束在穿透該分光元件后，入射該第三光學模塊。
4.根據權利要求3所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一光學模塊在接收具有該第二偏振方向的該第二次激光光束后，將其轉換為具有該第一偏振方向的該第二次激光光束，且穿透該分光兀件后朝該第二光學模塊射入。
5.根據權利要求4所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第二光學模塊在接收具有該第一偏振方向的該第二次激光光束后，將其轉換為具有該第二偏振方向的該第二次激光光束，并反射至該分光元件。
6.根據權利要求5所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該分光元件在接收來自該第二光學模塊的具有該第二偏振方向的該第二次激光光束后，將其反射并朝該第三光學模塊射入。
7.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一側邊與該第二側邊是為相鄰設置。
8.根據權利要求7所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，具有該第一偏振方向的該第一次激光光束在穿透該分光元件后，入射該第二光學模塊。
9.根據權利要求8所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第二光學模塊在接收具有該第一偏振方向的該第一次激光光束后，將其轉換為具有該第二偏振方向的該第一次激光光束，并反射至該分光元件。
10.根據權利要求9所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該分光元件在接收來自該第二光學模塊的具有該第二偏振方向的該第一次激光光束后，將其反射并朝該第三光學模塊射入。
11.根據權利要求10所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一光學模塊在接收具有該第二偏振方向的該第二次激光光束后，將其轉換為具有該第一偏振方向的該第二次激光光束，且穿透該分光兀件后朝該第三光學模塊射入。
12.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一光學模塊包含一第一次極化偏轉元件和一第一反射元件，且該第二光學模塊包含一透鏡、一第二次極化偏轉元件和一第二反射元件。
13.根據權利要求12所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一次極化偏轉元件及該第二次極化偏轉元件都為穿透式極化偏轉元件，且該第一反射元件及該第二反射元件都為反射鏡。
14.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第一光學模塊包含一第三次極化偏轉元件，且該第二光學模塊包含一透鏡及一第四次極化偏轉元件。
15.根據權利要求14所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該第三次極化偏轉元件及該第四次極化偏轉元件都為反射式極化偏轉元件。
16.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該極化偏轉元件為穿透式極化偏轉元件，且該第三光學模塊為一透鏡。
17.根據權利要求I所述的激光光束轉換裝置，其特征在于，該主激光光束為具有單一偏振方向的激光脈沖光束，該第一偏振方向及該第二次偏振方向分別為P偏振方向及S偏振方向，且該分光兀件為極化分光鏡。
18.—種激光光束轉換方法，其特征在于，包含下列步驟 (a)將一主激光光束轉換為具有一第一偏振方向的一第一次激光光束及具有一第二偏振方向的一第二次激光光束； (b)將具有該第一偏振方向的該第一次激光光束聚焦于一第一焦點；以及 (C)將具有該第二偏振方向的該第二次激光光束聚焦于與該第一焦點相異的一第二焦點。
19.根據權利要求18所述的激光光束轉換方法，其特征在于，該(b)步驟還包括 將具有該第一偏振方向的該第一次激光光束直接聚焦于該第一焦點。
20.根據權利要求19所述的激光光束轉換方法，其特征在于，該(c)步驟還包括 將具有該第二偏振方向的該第二次激光光束，經過兩次轉換步驟與四次反射步驟后，聚焦于與該第二焦點。
21.根據權利要求18所述的激光光束轉換方法，其特征在于，該(b)步驟還包括 將具有該第一偏振方向的該第一次激光光束，經過一次轉換步驟與兩次反射步驟后，聚焦于該第一焦點。
22.根據權利要求21所述的激光光束轉換方法，其特征在于，該(c)步驟還包括 將具有該第二偏振方向的該第二次激光光束，經過一次轉換步驟與兩次反射步驟后，聚焦于該第二焦點。
全文摘要
本發明提供一種激光光束轉換裝置及方法，該裝置包含一極化偏轉元件、一分光元件、一第一光學模塊、一第二光學模塊以及一第三光學模塊。極化偏轉元件在接收一主激光光束后，會將其轉換為具有一第一偏振方向的一第一次激光光束和具有一第二偏振方向的一第二次激光光束，并將其朝分光元件射入。具有第一偏振方向的第一次激光光束穿透分光元件，并通過第三光學模塊聚焦于一第一焦點。具有第二偏振方向的第二次激光光束經分光元件反射后，依序經過第一光學模塊及第二光學模塊的轉換及反射，并通過第三光學模塊聚焦于與第一焦點相異的一第二焦點。
文檔編號G02B27/28GK102789066SQ20121015130
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月16日 優先權日2011年5月18日
發明者吳秉翰, 張光博, 徐玉麟, 楊閔杰, 簡志維, 郭靜男, 陳強智 申請人:旭丞光電股份有限公司