一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，涉及激光照明、投影和加工等激光整形应用领域。本发明针对微透镜列阵实现激光光束整形匀化时，由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性，在目标面产生周期性点阵，降低了光束匀化效果的问题，提出一种利用中心离轴型微透镜列阵结构消除点阵效应以实现激光光束匀化的方法。通过设计微透镜列阵中的子透镜单元位置，获取子透镜单元中心离轴分布的微透镜列阵，利用离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性，消除目标面处的相干条纹，实现高均匀性的光斑分布。本发明能够有效消除激光光束整形中的点阵效应，是一种实用的光束整形方法，具有较大的应用前景。
【专利说明】一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光光束整形领域，具体涉及一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光 光束匀化的方法。
【背景技术】
[0002] 在激光照明、投影和加工等激光整形领域应用中，由于相干激光光束的强度为高 斯分布，往往需要变换为平顶分布来实现其光束匀化的目的。目前常用的激光束整形光束 匀化的方法有两种，一种是衍射型的，一种是折射型的。衍射型光束匀化元件由于受其设计 思想限制，一般工作频段较窄，适用于光谱范围小的特定工作场合，不具有通用性。另外，衍 射元件非连续表面轮廓所引起的杂散光较多，降低了能量利用率。而折射型光束匀化元件 具有较长的工作频段，适用于更宽的光谱范围，且杂散光较少能够满足大部分的使用要求。
[0003] 通常折射型光束匀化元件，分为单片式和双片式。结构上的主要区别是单片式由 一个常规微透镜列阵和一个傅立叶透镜组成；双片式由两个相同的常规微透镜列阵和一个 傅立叶透镜组成。而这两种折射型光束匀化元件的匀化光束的原理一致，区别是双片式的 对具有一定发散角的入射光有一定的容差。其光束匀化的原理是微透镜列阵把光源光束分 成多个小光束，再通过傅里叶透镜或者微透镜列阵和傅里叶透镜使所有的小光束都铺满整 个目标光斑区域；多个小光束相互叠加，由于是轴对称系统，小光束的不均匀性相互抵消， 最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。
[0004] 然而，应用于激光光束匀化时，由于激光具有较强的相干性，傅里叶透镜对分割后 的周期性的细光束进行一次傅里叶变换作用，周期性结构的傅里叶变换仍具有周期性，目 标面上将产生周期性分布的点列阵，将大大降低微透镜列阵匀化效果。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于中心离轴型微透 镜列阵的激光光束匀化方法，消除匀化过程中的点阵效应以实现高均匀性光斑，满足实用 化的要求。
[0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0007] -种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，中心离轴型微透镜列阵将 入射激光光束分成多个小光束，再经过周期性微透镜列阵以及傅里叶透镜作用，使所有的 小光束相互叠加铺满整个目标光斑区域，从而相互抵消小光束间的不均匀性，以实现激光 光束的匀化。
[0008] 所述中心离轴型微透镜列阵中的各个子透镜单元的口径和焦距相同。
[0009] 所述中心离轴型微透镜列阵中的各个子透镜单元的中心离轴分布，中心离轴量随 机产生。
[0010] 所述周期性微透镜列阵中的各个子透镜单元的周期性分布。
[0011] 所述周期性微透镜列阵中的子透镜单元的口径、焦距以及阵列数与所述中心离轴 型微透镜列阵中的子透镜单元相同。
[0012] 所述周期性微透镜列阵中的子透镜单元的口径与所述中心离轴型微透镜列阵中 的子透镜单元的口径一一对准。
[0013] 所述周期性微透镜列阵放置于所述中心离轴型微透镜列阵之后，两个微透镜列阵 之间的距离可以自由设计。
[0014] 所述傅里叶透镜放置于所述周期性微透镜列阵之后的任意位置，该位置根据应用 需求自由设计。
[0015] 在所述傅里叶透镜的焦平面上获得匀化后的光斑。
[0016] 本发明的有益效果在于：利用中心离轴型微透镜列阵结构，打破微透镜列阵的周 期性的激光匀化方法，可以有效消除目标面处的相干条纹产生的点阵效应，实现高均匀性 的光斑分布，是一种实用的光束整形方法，可以在激光加工和照明等方向有较大的应用前 景。且中心离轴型微透镜列阵为折射型器件，具有较长的工作频段，适用于较宽的光谱范 围，杂散光较少能够满足诸多应用需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法的系统结构示意 图；
[0018] 图2为实施例中一种中心离轴型微透镜列阵中子透镜单元设计示意图；
[0019] 图3为实施例中一种中心离轴型微透镜列阵的相位分布图；
[0020] 图4为实施例中一种周期性微透镜列阵的相位分布图；
[0021] 图5为实施例中一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法的匀化光 斑图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图及【具体实施方式】详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发 明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员 即可以实现本发明权利要求的全部内容。
[0023] 具体实施例中一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法的系统结构 如图1所示。中心离轴型微透镜列阵2将入射激光光束1分成多个小光束，再经过周期性 微透镜列阵4以及傅里叶透镜6作用，使所有的小光束相互叠加铺满整个目标光斑区域9， 从而相互抵消小光束间的不均匀性，以实现激光光束的匀化。
[0024] 整体系统包括中心离轴型微透镜列阵2、周期性微透镜列阵4以及傅里叶透镜6， 它们的中心均位于主光轴0上。中心离轴型微透镜列阵2中的各个子透镜单元的口径和焦 距相同，分别为500 μ m和47. 48mm ;但是各个子透镜单元的中心离轴分布，其设计方法如图 2所示，中心离轴型微透镜列阵的子透镜单元10的中心与周期性微透镜列阵的子透镜单元 11的中心存在一个离轴量12。本实施例中设计的最大离轴量为500 μ m，各个子透镜单元的 中心离轴量在500 μ m范围内随机产生，微透镜列阵相位分布图如图3所示。
[0025] 周期性微透镜列阵4中的各个子透镜单元的周期性分布，其子透镜单元的口径、 焦距以及阵列数与中心离轴型微透镜列阵中的子透镜单元相同，分别为500 μ m、47. 48mm 和20X20,相位分布图如图4所示。
[0026] 如图1中5所示，在实际应用过程中周期性微透镜列阵中的子透镜单元的口径与 中心离轴型微透镜列阵中的子透镜单元的口径一一对准。而周期性微透镜列阵与中心离轴 型微透镜列阵之间的距离3可以自由设计。该实施例中，设计距离3的值为47. 48mm，即中 心离轴型微透镜列阵的焦距。
[0027] 傅里叶透镜6放置于周期性微透镜列阵之后的任意位置，两者之间的距离7根据 应用需求自由设计。该实施例设计距离7为30mm，傅里叶透镜的焦距为50cm，在与傅里叶 透镜距离8的位置处，也即傅里叶透镜的焦平面上，获得最终匀化后的光斑9。
[0028] 匀化后的光斑9的大小满足
【权利要求】
1. 一种基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在于：中心离轴型微 透镜列阵将入射激光光束分成多个小光束，再经过周期性微透镜列阵以及傅里叶透镜作 用，使所有的小光束相互叠加铺满整个目标光斑区域，从而相互抵消小光束间的不均匀性， 以实现激光光束的匀化。
2. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述中心离轴型微透镜列阵中的各个子透镜单元的口径和焦距相同。
3. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述中心离轴型微透镜列阵中的各个子透镜单元的中心离轴分布，中心离轴量随机产 生。
4. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述周期性微透镜列阵中的各个子透镜单元的周期性分布。
5. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述周期性微透镜列阵中的子透镜单元的口径、焦距以及阵列数与所述中心离轴型微 透镜列阵中的子透镜单元相同。
6. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述周期性微透镜列阵中的子透镜单元的口径与所述中心离轴型微透镜列阵中的子透 镜单元的口径--对准。
7. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述周期性微透镜列阵放置于所述中心离轴型微透镜列阵之后，两个微透镜列阵之间 的距离可以自由设计。
8. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：所述傅里叶透镜放置于所述周期性微透镜列阵之后的任意位置，该位置根据应用需求 自由设计。
9. 根据权利要求1所述的基于中心离轴型微透镜列阵的激光光束匀化方法，其特征在 于：在所述傅里叶透镜的焦平面上获得匀化后的光斑。
【文档编号】G02B27/09GK104267504SQ201410531843
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】曹阿秀, 史立芳, 邓启凌, 张满, 庞辉, 秦燕云 申请人:中国科学院光电技术研究所