激光光束匀化装置及方法与流程

本发明涉及激光整形领域，尤其涉及一种激光匀化装置及方法，将激光能量分布的高斯分布转化为平顶式的均匀分布。

背景技术：

激光横截面的光功率分布一般为高斯分布，即中心功率大，越到边缘功率越小。但是在某些应用领域如激光焊接、激光表面处理和激光医学中，要求激光的功率分布为平顶式的均匀分布，所以必须使用某些光学整形方法以实现该目的。目前主要的平顶光整形方案有：孔径光阑拦截法、衍射光学元件法、微透镜阵列整形法、非球面透镜法等。以上整形方案实施过程中缺点明显，具体如下：孔径光阑法可实现最简单的平顶光输出。但是该方法得到的匀化效果不佳，且光能损失严重；衍射光学元件法只能根据需求进行针对性的设计，一旦改变激光波长等参数就必须重新设计，且该方案的激光损伤阈值较低，只能应用于小功率激光，并且衍射光学元件的设计与制造成本较高，且装配精度要求较为严苛；微透镜阵列整形法成本较高、实现的区域过小、容易产品干涉条纹的缺点；非球面透镜法中非球面镜的制作成本同样较高。因此，目前需要一种成本低廉并且整形效果好的激光整形方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种激光光束匀化装置及方法，以提供一种成本低廉并且整形效果好的激光整形方案。

为了达到上述目的，本发明的激光光束匀化装置，用于匀化功率分布为高斯分布的激光，包括：发散光学元件组，用于将入射的激光转换为发散光；分束光学元件组，用于对发散光分束，并将分束后的激光叠加形成平顶光束。

进一步的，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜、第二方向柱面镜、第一方向棱镜、第二方向棱镜沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面镜射入，依次通过第二方向柱面镜以及第一方向棱镜，由第二方向棱镜射出形成平顶光束。

进一步的，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜、第一方向棱镜、第二方向柱面镜、第二方向棱镜沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面镜射入，依次通过第一方向棱镜以及第二方向柱面镜，由第二方向棱镜射出形成平顶光束。

进一步的，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜、第二方向柱面镜、第二方向棱镜、第一方向棱镜沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面镜射入，依次通过第二方向柱面镜以及第二方向棱镜，由第一方向棱镜射出形成平顶光束。

进一步的，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：双向棱镜，用于对其入射光关于第一方向、第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜、第二方向柱面镜、双向棱镜沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面镜射入，通过第二方向柱面镜，由双向棱镜射出形成平顶光束。

进一步的，发散光学元件组包括：圆形凹透镜，用于将其入射光转换为圆形的发散光；分束光学元件组包括：双向棱镜，用于对其入射光关于第一方向、第二方向分束；第一方向与第二方向正交；圆形凹透镜、双向棱镜沿光线传播方向依次排列，入射的激光由圆形凹透镜射入，通过双向棱镜射出形成平顶光束。

为了实现上述目的，本发明还提出了一种激光光束匀化方法，用于匀化功率分布为高斯分布的激光，包括：将入射的激光转换为发散光；对发散光分束，并将分束后的激光叠加形成平顶光束。

进一步的，将入射的激光在第一方向发散，获得第一方向发散光；将第一方向发散光在第二方向发散，将其转换为发散光，第一方向与第二方向正交。

进一步的，对发散光分束，包括：对发散光关于第一方向分束，分束后的激光的功率分布关于第一方向对称；对关于第一方向分束后的激光关于第二方向分束，分束后的激光的功率分布关于第一与第二方向对称，第一方向与第二方向正交。

进一步的，分束后的激光在设定的平面上的各点的功率的之和为同一值。

本发明的有益效果在于，通过本发明的激光光束匀化装置及方法，将功率分布为高斯分布的激光整形为平顶光的成本低，对波长没有选择性，矩形光斑尺寸灵活可调，并且，在较大景深范围内均具有较好匀化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例的激光光束匀化装置的结构及光路示意图。

图1b为本发明实施例的入射光的功率分布示意图。

图1c为本发明实施例的出射光的功率分布示意图。

图2为本发明第二实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。

图3a为本发明第三实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。

图3b为本发明第三实施例的入射光的功率分布图。

图3c为本发明第三实施例的出射光的功率分布图。

图3d为本发明第三实施例中第二柱面镜曲率半径为12mm的出射光的功率分布图。

图4为本发明第四实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。

图5为本发明第五实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。

图6为本发明第六实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。

图7为本发明实施例的激光光束匀化方法的步骤流程图。

具体实施方式

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仅仅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，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图1a为本发明实施例的激光光束匀化装置的结构及光路示意图。如图1a所示，激光光束匀化装置，用于匀化功率分布为高斯分布的激光，包括：发散光学元件组100，用于将入射的激光转换为发散光；分束光学元件组200，用于对发散光分束，并将分束后的激光叠加形成平顶光束。

图1b为本发明实施例的入射光的功率分布示意图，图1c为本发明实施例的出射光的功率分布示意图。结合图1a、图1b及图1c所示，入射光为功率分布为高斯分布的激光，其经过发散光学元件组100后呈发散状态，该发散光学元件100的输出光(发散光)的能量分布呈中心对称，以方便于后续输入操作。分束光学元件组200，其输入光为发散光学元件100的输出光(发散光)，该发散光被分束光学元件组200分为多束激光，该多束激光的能量分布相互对称，分束后的多束激光继续向前传播，共同照射于一设定面上，该多束激光能量相互叠加(图1a中以两束不同斜纹填充的四边形相互叠加表示)，最后形成平顶光束。在此说明的是，图1a仅示意的展示在单方向上的输入光与输出光的功率分布状态，本领域技术人员应当了解输入光与输出光相应在空间上的分布分别为高斯分布与均匀分布。

图2为本发明第二实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。如图2所示，激光光束匀化装置中，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜110，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜120，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜210，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜220，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜110、第二方向柱面镜120、第一方向棱镜210、第二方向棱镜220沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面110镜射入，依次通过第二方向柱面镜120以及第一方向棱镜210，由第二方向棱镜220射出形成平顶光束。

入射光为功率分布为高斯分布的激光，其经过发散光学元件组中的第一方向柱面镜110后，该入射光转换为第一方向上的发散光，然后该第一方向上的发散光输入到第二方向柱面镜120，其继续转换为第二方向上的发散光，至此，第二方向柱面镜120的输出光关于第一方向与第二方向对称。又因为第一方向垂直于第二方向，也就是说，该发散光的能量分布呈中心对称。然后，该发散光继续通过第一方向棱镜210，被分为两束关于第一方向对称的激光，该两束激光再通过第二方向棱镜220，其每一束都被第二方向棱镜220分为两束关于第二方向对称的激光。最后通过第二方向棱镜输出关于第一方向和第二方向分别对称的四束激光。由于该输出光的功率分布关于第一方向和第二方向分别对称，所以在传播一段距离后，共同照射于一设定距离的面上，其功率相互叠加形成平顶光束。

图3a为本发明第三实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。如图3a所示，激光光束匀化装置中，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜110，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜120，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜210，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜220，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜110、第一方向棱镜210、第二方向柱面镜120、第二方向棱镜220沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面110镜射入，依次通过第一方向棱镜210以及第二方向柱面镜120，由第二方向棱镜220射出形成平顶光束。

入射光为功率分布为高斯分布的激光，其经过发散光学元件组中的第一方向柱面镜110后，该入射光转换为第一方向上的发散光输出，按照光的传播方向，该第一方向上的发散光输入到第一方向棱镜210，第一方向上的发散光被关于第一方向分成了两束。该两束激光继续向前传播，通过第二方向柱面镜120，该两束激光被转换为同时在第一方向与第二方向上的发散光。最后，通过第二方向棱镜220输出关于第一方向和第二方向分别对称的四束激光。由于该输出光的功率分布关于第一方向和第二方向分别对称，所以在传播一段距离后，共同照射于一设定距离的面上，其功率相互叠加形成平顶光束。

假设，激光光源位置为原点，入射光光斑能量分布如图3b所示，在距离原点70mm～90mm处得到尺寸为50x20mm的矩形平顶光斑，发散角为18°～22°(全角)，本实施例的相关透镜参数组合可作如下选择：

第一方向柱面镜：平凹柱面镜，平面朝向光源，使用k9玻璃，厚1.5mm～2.5mm，凹面处曲率半径为15mm～25mm，与原点距离8mm～12mm；

第一方向棱镜：平面朝向光源，使用k9玻璃，厚2mm～4mm，两个斜面之间的夹角为20°～35°，与原点距离10mm～16mm；

第二方向柱面镜：双凹柱面镜，使用k9玻璃，厚1.8mm～2.2mm，凹面的曲率半径为10mm～10.8mm，与原点距离为16.9mm～17.9mm；

第二方向棱镜：平面朝向光源，使用k9玻璃，厚5mm～8mm，两个斜面之间的夹角为105°～115°，与原点距离20mm～23mm。

根据上述透镜参数组合取一组具体透镜参数，光斑能量分布如图3c所示，可以看出目标光斑能量分布均匀，若采用曲率半径为12mm的第二方向柱面镜，其他透镜参数不变，其光斑能量分布如图3d所示，可以看出目标光斑能量分布呈中心低周围高，并非平顶光束。

图4为本发明第四实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。如图4所示，激光光束匀化装置中，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜110，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜120，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜210，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜220，用于对其入射光关于第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜110、第二方向柱面镜120、第二方向棱镜220、第一方向棱镜210沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面110镜射入，依次通过第二方向柱面镜120以及第二方向棱镜220，由第一方向棱镜210射出形成平顶光束。

入射光为功率分布为高斯分布的激光，其经过发散光学元件组中的第一方向柱面镜110后，该入射光转换为第一方向上的发散光，然后该第一方向上的发散光输入到第二方向柱面镜120，其继续转换为第二方向上的发散光，至此，第二方向柱面镜120的输出光关于第一方向与第二方向对称。又因为第一方向垂直于第二方向，也就是说，该发散光的能量分布呈中心对称。然后，该发散光继续通过第二方向棱镜220，被分为两束关于第二方向对称的激光，该两束激光再通过第一方向棱镜210，其每一束都被第一方向棱镜210分为两束关于第二方向对称的激光，最后通过第一方向棱镜210输出关于第一方向和第二方向分别对称的四束激光。由于该输出光的功率分布关于第一方向和第二方向分别对称，所以在传播一段距离后，共同照射于一设定距离的面上，其功率相互叠加形成平顶光束。

图5本发明第五实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。如图5所示，激光光束匀化装置中，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜110，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜120，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；分束光学元件组包括：双向棱镜230，用于对其入射光关于第一方向、第二方向分束；第一方向与第二方向正交；第一方向柱面镜110、第二方向柱面镜120、双向棱镜230沿光线传播方向依次排列，入射的激光由第一方向柱面110镜射入，通过第二方向柱面镜120，由双向棱镜230射出形成平顶光束。在第五实施例中，与第一实施例不同的是，该分束光学元件为双向棱镜230，该双向棱镜230可以将入射光进行分束，分束后的激光关于第一方向与第二方向对称。由于该输出光的功率分布关于第一方向和第二方向分别对称，所以在传播一段距离后，共同照射于一设定距离的面上，其功率相互叠加形成平顶光束。

图6本发明第六实施例的激光光束匀化装置的结构示意图。如图6所示，激光光束匀化装置中，发散光学元件组包括：圆形凹透镜130，用于将其入射光转换为圆形的发散光；分束光学元件组包括：双向棱镜230，用于对其入射光关于第一方向、第二方向分束；第一方向与第二方向正交；凹透镜130、双向棱镜230沿光线传播方向依次排列。在第六实施例中，与第五实施例不同的是，该发散光学元件组为圆形凹透镜130，该圆形凹透镜，该透镜可以入射光转换为圆形的中心对称的发散光。由于该输出光的功率分布关于第一方向和第二方向分别对称，所以在传播一段距离后，共同照射于一设定距离的面上，其功率相互叠加形成平顶光束。

本发明的激光光束匀化装置在具体实施过程中，可以根据目标光斑形状调整发散光学元件组与分束光学元件组。若目标为正六边形的平顶光束，发散光学元件组包括：第一方向柱面镜，用于将其入射光转换为第一方向上的发散光；第二方向柱面镜，用于将其入射光转换为第二方向上的发散光；第三方向柱面镜，用于将其入射光转换为第三方向上的发散光；分束光学元件组包括：第一方向棱镜，用于对其入射光关于第一方向分束；第二方向棱镜，用于对其入射光关于第二方向分束；第三方向棱镜，用于对其入射光关于第三方向分束；第一方向、第二方向、第三方向任意两者之间的夹角为120°；第一方向柱面镜、第二方向柱面镜、第三方向柱面镜第一方向棱镜、第二方向棱镜、第三方向棱镜沿光线传播方向依次排列，或者其他各种，某方向上的棱镜排列在在同方向柱面镜之后的排列方式，都可以满足要求。本领域技术人员可以根据本发明实施例，通过调整发散光学元件组与分束光学元件组的光学元件组合，获得不同形状的目标光斑，在此不再一一列举。

结合以上实施例所示，本发明的激光光束匀化装置的优点如下所示：

1.可以实现平顶光整形的低成本化。因为无论是柱面镜、圆形凹透镜还是棱镜，都是目前可以通过批量生产得到的通用光学元件，价格低廉且易得。

2.本发明的激光光束匀化装置对波长没有选择性。柱面镜和棱镜都可以通过光学玻璃制得，在光学玻璃可以透过的波长范围内，该装置均适用。

3.激光损伤阈值高、光能损失低。由于本发明的激光光束匀化装置的内部光学元件可以使用光学玻璃制作，所以激光损伤阈值高、光能损失低。光学玻璃具有非常高的能量损伤阈值和光学透过率，通过在其表面镀光学膜，就可以实现非常高的激光透过率。

4.矩形光斑尺寸大且可调。由于产生的光束为发散光，只要通过合理的改变棱镜角度和透镜曲率半径，我们就可以得到在规定距离上规定尺寸的均匀矩形光束。

5.在较大景深范围内均具有较好匀化效果。而衍射光学元件法、微透镜阵列整形法、非球面透镜法一般只能在设计成像面具有较好的激光匀化效果，一旦成像面前后移动，则匀化效果迅速下降。

在介绍了本发明实施例的激光光束匀化装置之后，接下来，对本发明实施例的激光光束匀化方法进行介绍。该方法的实施可以参见上述装置的实施，重复之处不再赘述。

图7为本发明实施例的激光光束匀化方法的步骤流程图。如图7所示，激光光束匀化方法，用于匀化功率分布为高斯分布的激光，包括：s100，将入射的激光转换为发散光；s200，对发散光分束，并将分束后的激光叠加形成平顶光束。

在具体实施步骤s100过程中，将入射的激光转换为发散光，包括：

s110，将入射的激光在第一方向发散，获得第一方向发散光；

s120，将第一方向发散光在第二方向发散，将其转换为发散光，第一方向与第二方向正交。

在具体实施步骤s200过程中，对发散光分束，包括：

s210，对发散光关于第一方向分束，分束后的激光的功率分布关于第一方向对称；

s220，对关于第一方向分束后的激光关于第二方向分束，分束后的激光的功率分布关于第一与第二方向对称，第一方向与第二方向正交。

分束后的激光在设定的平面上的各点的功率的之和为同一值。

本发明的有益效果在于，通过本发明的激光光束匀化装置及方法，将功率分布为高斯分布的激光整形为平顶光的成本低，对波长没有选择性，矩形光斑尺寸灵活可调，并且在较大景深范围内均具有较好匀化效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。