专利名称：输出为均匀线光斑的激光光束变换整形器的制作方法
技术领域：
本发明为一种输出为均勻线光斑的激光光束变换整形器，它是一种将光斑形状不 规则(如圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形、方形、近方形等)、能量分布不均勻(如高斯分 布、近高斯分布等)的激光光束经过光束变换整形为能量均勻分布、光斑形状近似为一条 线的激光光束的光学系统，主要应用于激光抛光、激光清洗、激光致材料表面改性等，属于 激光表面处理技术及其应用领域。
背景技术：
激光表面处理技术及其应用领域所需的激光光斑根据所采用技术的不同而略有 不同，其中，激光光斑形状通常为正方形、长方形或者形状近似为一条线，激光光斑能量分 布通常为高斯分布、近高斯分布或者均勻分布。为了达到更高的表面处理效率，激光光斑形 状通常采用形状近似为一条线的激光光斑，或者采用一边较短的长方形激光光斑，并配合 工作台的快速移动形成扫描式的激光表面处理。为了达到更好的表面处理效果，激光光斑 能量分布通常采用均勻分布。激光表面处理技术及其应用领域中的激光光束变换整形器通 常包括扩束准直器、整形器和均勻器三个组成部分；对表面处理效果要求不高的激光光束 变换整形器可以在某些情况下(如入射激光为高斯光束或近高斯光束并在变换整形器中 截取中心部分、入射激光分布较均勻等)将均勻器省略，甚至将扩束准直器与整形器合并。 激光光束变换整形器的光学系统对光学成像质量要求不高，因此，对各组成单元的像差要 求也不高，在设计时仅需考虑各组成单元的球差即可。激光光束变换整形器的光学系统通 常针对单一波长进行设计，因此，在设计时通常针对单一波长进行材料的选择，即整个光学 系统采用单一材料，不用考虑光学系统中色像差的校正问题；激光光束变换整形器的光学 系统较少会对较为接近的多个波长进行设计，因此，在设计时较少会对较为接近的多个波 长进行材料的选择，在对多个波长进行材料选择时，由于波长较为接近，因此，根据适用波 段的不同，选择2-3种常用材料(如K9，B270等)即可满足光学系统对色像差的校正要求。 激光光束变换整形器通常要求尽可能多地利用输入的激光能量，因此其光学系统中所含镜 片的数量不多，通常为不到10片。目前，在激光表面处理技术及其应用领域中，所使用的激光光束变换整形器主要 按照以下三种方式进行分类1.按照变换整形器对入射激光的要求，将变换整形器分为两类第一类变换整形 器的入射激光为高斯光束或近高斯光束；第二类变换整形器的入射激光为具有某种光斑能 量分布和发散特征的非均勻光束(非高斯光束、非近高斯光束)。其中，第一种变换整形器 通常针对特定参数的高斯激光或近高斯激光进行设计，针对不同参数设计的变换整形器不 能通用，例如“高斯_平顶”变换整形器等；第二种变换整形器通常针对具有某种光斑能量 分布和发散特征的非均勻激光光束进行设计，只要非均勻激光光束的光斑能量分布和发散 特征在设计范围内，非均勻激光即可通用变换整形器，例如光波导均束变换整形器等。2.按照变换整形器控制出射激光光斑形状的方法，将变换整形器分为两类第一类变换整形器通过遮挡体对激光光束进行遮挡，吸收激光光束边缘部分的激光能量，从而 控制出射激光光斑形状；第二类变换整形器通过内部由反射镜、透镜和棱镜等组成的光学 系统对入射激光进行变换整形，从而控制出射激光光斑形状。其中，第一种变换整形器中存 在较大的激光能量损失，激光能量输出输入比较低，当对较高功率激光进行变换整形时，需 要风冷系统或水冷系统进行配合，从而保障变换整形器的正常使用，例如带有光阑的望远 镜系统等；第二种变换整形器中不存在激光光束的遮挡体，激光能量损失较小、输出输入比 较高，当对较高功率激光进行变换整形时，不需要风冷系统或水冷系统进行配合，例如“高 斯-平顶”变换整形器等。3.按照变换整形器均勻激光光束的方法，将变换整形器分为三类第一类变换整 形器通过特定光学系统(如自由曲面等)对入射激光激光波前进行控制，从而实现均勻激 光光束的作用，例如“高斯_平顶”变换整形器等；第二类变换整形器通过在光学系统中引 入光波导，使入射激光在光学系统中多次反射，从而实现均勻激光光束的作用，例如光波 导均束变换整形器等；第三类变换整形器通过对入射激光光束进行光束分割和光束叠加， 从而实现均勻激光光束的作用，例如复眼均束变换整形器等。在激光表面处理技术及其应用领域中，由于使用场合的不同，激光光束变换整形 器的指标也各不一样，每种激光光束变换整形器都有其各自的特点和使用范围，被应用于 特定的场合和用途。对于高精密度激光抛光、高精密度激光清洗、高效率激光致材料表面 改性等应用领域，传统的激光光束变换整形器往往由于均勻性和效率的问题不能够达到理 想的效果，例如“高斯-平顶”变换整形器的出射激光光斑通常为圆形光斑、复眼均束变换 整形器的出射激光光斑通常为正方形光斑、带有光阑的望远镜系统中的激光能量损失较大 等，不利于表面处理效率的提高；光波导均束变换整形器的出射激光光斑能量分布通常为 近高斯分布，不利于表面处理均勻性的提高。
发明内容
本发明的目的在于针对激光表面处理技术及其应用领域，设计并实现一种适合 用于高精密度激光抛光、高精密度激光清洗和高效率激光致材料表面改性等的激光光束变 换整形器。该激光光束变换整形器不仅能够适用于入射激光为高斯光束或近高斯光束的情 况，而且能够适用于入射激光为具有某种光斑能量分布和发散特征的非均勻光束(非高斯 光束、非近高斯光束)的情况。该激光光束变换整形器能够将入射激光变换整形为激光光 斑能量分布均勻的一条线型激光光斑，配合工作台的快速移动，可以大大提高激光抛光、激 光清洗和激光致材料表面改性的效率。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案一种输出为均勻线光斑的激光 光束变换整形器由第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7、第六部分8 和第七部分11组成，如图1所示。所述的第一部分1为望远镜系统，由多个圆透镜或柱透 镜等组成；所述的第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7均为由N个相同柱透镜 组成的柱透镜阵列，N的具体数值在本发明设计并实现时给定，N的取值范围为大于等于2， 其中第二部分4和第三部分5的柱透镜阵列母线平行，第三部分5和第四部分6的柱透镜 阵列母线垂直，第四部分6和第五部分7的柱透镜阵列母线平行；所述的第六部分8为柱透 镜组合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片柱透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第二片柱透镜母线10与第四部分6柱透镜阵列母线平行；所述的第七部分11 为柱透镜或柱透镜组合，其母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行。所述的第一部分1在系统中起到对入射激光进行初步整形的作用，即将入射第一 部分1的激光变换整形为尽可能充满第二部分4激光入射范围的激光光斑，并尽可能地降 低发散角度。第一部分1的组成形式可通过光线追迹类软件如S0D88、ZEMAX、C0DE V.OSLO 等设计并实现，该过程和技术已被业界公知，其典型的结构形式为由多片圆透镜或柱透镜 等组成的望远镜系统。本发明中，入射激光的激光光斑可为任意形状，如正方形、长方形、圆形、椭圆形 等，入射激光的激光光斑可为任意能量分布，如高斯分布、近高斯分布或其它非均勻分布 等；第一部分1对入射激光起到进行前期处理的作用，其将入射激光变换整形为尽可能充 满第二部分4激光入射范围(第二部分激光入射范围为正方形或长方形)的激光光斑，并 尽可能地降低发散角度，例如第一部分1将激光光斑形状为正方形或长方形的入射激光 变换整形为激光光斑与第二部分4激光入射范围重合的出射激光，第一部分1将激光光斑 形状为圆形或椭圆形的入射激光变换整形为激光光斑形状边缘与第二部分4激光入射范 围边缘相切的出射激光。所述的第二部分4为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第二部分4与第一部 分1的距离在第一部分1设计并实现时给定。第二部分4将入射的激光分为N束并行激光 光束，如图5、6所示。所述的第三部分5为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第三部分5和第二部 分4的柱透镜阵列母线平行，N个相同柱透镜中的每一个柱透镜对应第二部分4中N个相 同柱透镜中的一个；第二部分4和第三部分5中对应的每一对柱透镜各自组成一光学系统， 第二部分4柱透镜的后焦点12位于第二部分4与第三部分5间距离的中心附近，第三部分 5柱透镜的前焦点13位于第二部分4与第三部分5距离的1/4处附近，如图2所示。通过 调节第三部分5相对于第二部分4的距离，可以调节均束面上激光光斑在与第二部分4柱 透镜阵列母线垂直方向上的宽度，在设计并实现时，将此宽度调节为较窄的状态。所述的第四部分6为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第四部分6和第三部 分5的柱透镜阵列母线垂直，第四部分6和第三部分5的距离在设计并实现时给定。第四 部分6将入射的N束激光中的每一束分为N束并行激光光束，如图7所示。所述的第五部分7为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第五部分7和第四部 分6的柱透镜阵列母线平行，N个相同柱透镜中的每一个柱透镜对应第四部分6中N个相同 柱透镜中的一个；第四部分6和第五部分7中对应的每一对柱透镜各自组成一光学系统，第 四部分6柱透镜的后焦点14位于第四部分6与第五部分间7距离的中心附近，第五部分7 柱透镜的前焦点15位于第四部分6与第五部分7间距离的1/4处附近，如图3所示。通过 调节第五部分7相对于第四部分6的距离，可以调节均束面上激光光斑在与第四部分6柱 透镜阵列母线垂直方向上的宽度，在设计并实现时，将此宽度调节为较宽的状态。所述的第二部分4和第三部分5与第四部分6和第五部分4相互正交、互不影响， 因此存在三种第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分4的组合形式。第一种组合 形式为第二部分4、第四部分6、第五部分7和第三部分5，第二种组合形式为第二部分4、 第四部分6、第三部分5和第五部分7，第三种组合形式为第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7 ；并且，每种组合形式都能够起到相同的作用。所述的第六部分8为柱透镜组合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片 柱透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第二片柱透镜10母线与第四部分6柱透 镜阵列母线平行，并且，第一片柱透镜9对应的均束面16与第二片柱透镜10对应的均束面 17间保持一定距离，如图4所示；第六部分第一片柱透镜9对第二部分4分隔开的光束进 行叠加，如图8所示，第六部分第二片柱透镜10对第四部分6分隔开的光束进行叠加，如图 9所示；第六部分8和第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7间的距离在设计并实 现时给定。所述的第七部分11为柱透镜或柱透镜组合，其母线与第二部分4柱透镜阵列母线 平行，第七部分11位于第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16附近，第七部分11的焦 距与第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16与第二片柱透镜10对应的均束面17间的 距离相等，如图4所示；第七部分11将第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16转移到第 六部分第二片柱透镜10对应的均束面17上，同时对均束面17上的激光光斑在与第二部分 4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度进行压缩，最终形成一条激光光斑能量分布均勻的一 条线型激光光斑，如图10所示。入射激光入射到第一部分1，第一部分1将入射的激光变换整形为尽可能充满第 二部分4激光入射范围且发散角度尽可能小的激光光斑；入射激光经第一部分1后，出射到 第二部分4，第二部分4将入射的激光分为N束并行激光光束；入射激光经第一部分1和第 二部分4后，出射到第三部分5，第三部分5N个柱透镜中的每一个对应N束并行激光光束 中的一束，控制第二部分4与第三部分5间的距离，可调节均束面16上激光光斑在与第二 部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度，并使其为较窄状态；入射激光经第一部分1、第 二部分4和第三部分5后，出射到第四部分6，第四部分6将入射的N束激光中的每一束分 为N束并行激光光束；入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5和第四部分6后，出 射到第五部分7，第五部分7N个柱透镜中的每一个对应第四部分6分割后的N束并行激光 光束，控制第四部分6与第五部分7间的距离，可调节均束面17上激光光斑在与第四部分 6柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度，并使其为较宽状态；入射激光经第一部分1、第二部 分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7后，出射到第六部分8，第六部分第一片柱透镜9 将入射的激光光束在与第六部分第一片柱透镜9母线垂直方向上进行叠加，并形成均束面 16，第六部分第二片柱透镜10将入射的激光光束在与第六部分第二片柱透镜10母线垂直 方向上进行叠加，并形成均束面17 ；入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部 分6、第五部分7和第六部分8后，出射到第七部分11，第七部分11将第六部分第一片柱透 镜9对应的均束面16上的激光光斑在与第二部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度进 行压缩，并在第六部分第二片柱透镜10对应的均束面17上形成一条激光光斑能量分布均 勻的线型激光光斑。本发明中，第一部分1对入射激光进行前期处理，使入射激光适合第二部分4、第 三部分5、第四部分6、第五部分7、第六部分8和第七部分11的后续处理；第二部分4对激 光光束进行第一次分割；第三部分5中的每一个柱透镜分别与第二部分4中的每一个柱透 镜相对应；第四部分6对激光光束进行第二次分割；第五部分7中的每一个柱透镜分别与 第四部分6中的每一个柱透镜相对应；被第二部分4和第四部分6分割的激光光束通过第六部分8分别在两个均束面上进行叠加，通过控制第二部分4和第三部分5间的距离、第四 部分6与第五部分7间的距离，分别控制两个均束面16-17上对应的激光光斑宽度；第七部 分11位于第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16附近，通过第七部分11将第六部分第 一片柱透镜9对应的均束面16转移到第六部分第二片柱透镜10对应的均束面17上，使两 个均束面16-17重合，同时进一步压缩均束面上的光斑宽度，形成均束面17上一条激光光 斑能量分布均勻的线型激光光斑。本发明针对激光表面处理技术及其应用领域，设计并实现一种适合用于高精密度 激光抛光、高精密度激光清洗和高效率激光致材料表面改性等的激光光束变换整形器。该 激光光束变换整形器不仅能够适用于入射激光为高斯光束或近高斯光束的情况，而且能够 适用于入射激光为具有某种光斑能量分布和发散特征的非均勻光束(非高斯光束、非近高 斯光束)的情况。该激光光束变换整形器能够将入射激光变换整形为激光光斑能量分布均 勻的一条线型激光光斑，配合工作台的快速移动，可以大大提高激光抛光、激光清洗和激光 致材料表面改性的效率。
图1本发明光学系统三维图(以N = 9为例)图2本发明第二部分和第三部分焦点关系示意3本发明第四部分和第五部分焦点关系示意4本发明第六部分与均束面关系5本发明入射到第二部分的激光光斑6本发明第二部分分割激光光斑图(以N = 9为例)图7本发明第四部分分割激光光斑图(以N = 9为例)图8本发明第六部分第一片柱透镜叠加激光光斑图(以N = 9为例)图9本发明第六部分第二片柱透镜叠加激光光斑图(以N = 9为例)图10本发明最终形成的激光光斑能量分布均勻的一条线型激光光斑中1、第一部分；2、实施例中第一部分第一片柱透镜；3、实施例中第一部分第 二片柱透镜；4、第二部分；5、第三部分；6、第四部分；7、第五部分；8、第六部分；9、第六部 分第一片柱透镜；10、第六部分第二片柱透镜；11、第七部分；12、第二部分后焦点所在位 置；13、第三部分前焦点所在位置；14、第四部分后焦点所在位置；15、第五部分前焦点所 在闻之；16、第六部分第一片柱透镜对应的均束面；17、第六部分第二片柱透镜对应的均束
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明本实施例针对入射激光的光斑形状为长方形(18mmX 35mm)、光斑能量分布为非均 勻分布(18mm方向为高斯分布，35mm方向为近高斯分布)、中心波长为248nm的准分子激光 进行设计，适用于高精密度的激光抛光和激光清洗。本实施例由第一部分1、第二部分4、第 三部分5、第四部分6、第五部分7、第六部分8和第七部分11组成。第一部分为望远镜系 统，由两片柱透镜组成；第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7均为柱透镜阵列，其中，第二部分4和第三部分5的柱透镜阵列母线平行，第三部分5和第四部分6的柱透镜 阵列母线垂直，第四部分6和第五部分7的柱透镜阵列母线平行；第六部分8为柱透镜组 合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片柱透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母 线平行，第二片柱透镜10母线与第四部分6柱透镜阵列母线平行；第七部分11为一片柱透 镜，其母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行。入射激光入射到第一部分1，经第一部分1变换整形为充满第二部分4激光入射范 围且发散角度缩小的激光光斑。其中，入射激光的激光光斑形状为长方形(18mmX 35mm)，激 光光斑能量分布为非均勻分布(18mm方向为高斯分布，35mm方向为近高斯分)；第一部分1 为望远镜系统，由两片柱透镜组成，组成形式通过光线追迹类软件(如S0D88、ZEMAX、C0DE V、OSLO等)设计并实现，该过程和技术已被业界公知，第一部分1在本实施例中起到对入 射激光进行前期处理的作用；第二部分4激光入射范围为正方形(35mmX35mm)；第二部分 4入射的激光发散角度相对入射激光在18mm方向上减小一半。第一部分1的具体参数为第一片柱透镜2形状为长方形(18mmX35mm)，焦距 为-80mm，放置方式如图1所示；第二片柱透镜3形状为正方形(35mmX35mm)，焦距为 156mm，放置方式如图1所示；第一片柱透镜2与第二片柱透镜3间的距离为80mm ；第二片 柱透镜3到第二部分4的距离为45mm。入射激光经第一部分1后，出射到第二部分4。第二部分4为由7个相同柱透镜组 成的柱透镜阵列。第二部分4将入射的激光分为7束并行激光光束。入射激光经第一部分1和第二部分4后，出射到第三部分5。第三部分5为由7个 相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第三部分5和第二部分4的柱透镜阵列母线平行，第三部分 5中的每一个柱透镜对应7束并行激光光束中的一束，并对应第二部分4中7个相同柱透镜 中的一个。第二部分4的具体参数为每一片柱透镜形状为长方形(35mmX 5mm)，柱透镜阵 列为正方形(35mmX 35mm)，焦距为70mm，放置方式如图1所示。第三部分5的具体参数 为每一片柱透镜形状为长方形(35mmX 5mm)，柱透镜阵列为正方形(35mmX 35mm)，焦距为 105mm，放置方式如图1所示。第二部分4和第三部分5间的距离为140mm。通过调节第三 部分5相对于第二部分4的距离，可以调节均束面16上激光光斑在与第二部分4柱透镜阵 列母线垂直方向上的宽度，在设计并实现时，将此宽度调节为123mm。第三部分5与第四部 分6间的距离为10mm。入射激光经第一部分1、第二部分4和第三部分5后，出射到第四部分6。第四部 分6为由7个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第四部分6和第三部分5的柱透镜阵列母线 垂直。第四部分6将入射的7束激光中的每一束分为7束并行激光光束。入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5和第四部分6后，出射到第五部分 7。第五部分7为由7个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第五部分7和第四部分6的柱透镜 阵列母线平行，第五部分7中的每一个柱透镜对应第四部分6中7个相同柱透镜中的一个。第四部分6的具体参数为每一片柱透镜形状为长方形(5mmX35mm)，柱透镜阵列 为正方形(35mmX 35mm)，焦距为18mm，放置方式如图1所示。第五部分7的具体参数为每 一片柱透镜形状为长方形(5mmX 35mm)，柱透镜阵列为正方形(35mmX 35mm)，焦距为21mm， 放置方式如图1所示。第四部分6和第五部分7间的距离为36mm。通过调节第五部分7相对于第四部分6的距离，可以调节均束面17上激光光斑在与第四部分6柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度，在设计并实现时，将此宽度调节为20mm。第五部分7与第六部分8第一片 柱透镜9间的距离为15mm。入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7后，出射 到第六部分8。第六部分8为柱透镜组合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片柱 透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第二片柱透镜10母线与第四部分6柱透镜 阵列母线平行。第六部分第一片柱透镜9将入射的激光光束在与第六部分第一片柱透镜9 母线垂直方向上进行叠加，从而对入射的激光光束在与第六部分第一片柱透镜9母线垂直 方向上进行均束，形成均束面16 ；第六部分第二片柱透镜10将入射的激光光束在与第六部 分第二片柱透镜10母线垂直方向上进行叠加，从而对入射的激光光束在与第六部分第二 片柱透镜10母线垂直方向上进行均束，形成均束面17。第六部分8的具体参数为第一片柱透镜9形状为正方形(35mmX 35mm)，焦距为 190mm，放置方式如图1所示；第二片柱透镜10形状为正方形(35mmX 35mm)，焦距为195mm， 放置方式如图1所示；第一片柱透镜9与第二片柱透镜10间的距离为IOmm ；第一片柱透镜 9对应的均束面16位于第二片柱透镜10后方180mm处，第二片柱透镜10对应的均束面17 位于第二片柱透镜10后方195mm处。第六部分第二片柱透镜10与第七部分11间的距离 为 180mm。入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7和第六部 分8后，出射到第七部分11。第七部分11为一片柱透镜，其母线与第二部分4柱透镜阵列 母线平行。第七部分11将第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16转移到第六部分第二 片柱透镜10对应的均束面17上，同时对均束面17上的激光光斑在与第二部分4柱透镜阵 列母线垂直方向上的宽度进行压缩，形成均束面上一条激光光斑能量分布均勻的一条线型 激光光斑，激光光斑长度18mm。第七部分11的具体参数为柱透镜形状为长方形(18mmX 10mm)，焦距为15mm，位 于第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16附近，具体放置方式如图1所示。
权利要求
一种输出为均匀线光斑的激光光束变换整形器，其特征在于由第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7、第六部分8和第七部分11组成；所述的第一部分1为望远镜系统，由多个圆透镜或柱透镜等组成；所述的第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7均为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，N的取值范围为大于等于2，其中第二部分4和第三部分5的柱透镜阵列母线平行，第三部分5和第四部分6的柱透镜阵列母线垂直，第四部分6和第五部分7的柱透镜阵列母线平行；所述的第六部分8为柱透镜组合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片柱透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第二片柱透镜母线10与第四部分6柱透镜阵列母线平行；所述的第七部分11为柱透镜或柱透镜组合，其母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行；所述的第一部分1在系统中起到对入射激光进行初步整形的作用，即将入射第一部分1的激光变换整形为尽可能充满第二部分4激光入射范围的激光光斑，并尽可能地降低发散角度；所述的第二部分4为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第二部分4将入射的激光分为N束并行激光光束；所述的第三部分5为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第三部分5和第二部分4的柱透镜阵列母线平行，N个相同柱透镜中的每一个柱透镜对应第二部分4中N个相同柱透镜中的一个；第二部分4和第三部分5中对应的每一对柱透镜各自组成一光学系统，第二部分4柱透镜的后焦点12位于第二部分4与第三部分5间距离的中心附近，第三部分5柱透镜的前焦点13位于第二部分4与第三部分5距离的1/4处附近；通过调节第三部分5相对于第二部分4的距离，可以调节均束面上激光光斑在与第二部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度；所述的第四部分6为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第四部分6和第三部分5的柱透镜阵列母线垂直，第四部分6将入射的N束激光中的每一束分为N束并行激光光束；所述的第五部分7为由N个相同柱透镜组成的柱透镜阵列，第五部分7和第四部分6的柱透镜阵列母线平行，N个相同柱透镜中的每一个柱透镜对应第四部分6中N个相同柱透镜中的一个；第四部分6和第五部分7中对应的每一对柱透镜各自组成一光学系统，第四部分6柱透镜的后焦点14位于第四部分6与第五部分间7距离的中心附近，第五部分7柱透镜的前焦点15位于第四部分6与第五部分7间距离的1/4处附近；通过调节第五部分7相对于第四部分6的距离，可以调节均束面上激光光斑在与第四部分6柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度；所述的第六部分8为柱透镜组合，其中包含两片母线相互垂直的柱透镜，第一片柱透镜9母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第二片柱透镜10母线与第四部分6柱透镜阵列母线平行，并且，第一片柱透镜9对应的均束面16与第二片柱透镜10对应的均束面17间保持一定距离；第六部分第一片柱透镜9对第二部分4分隔开的光束进行叠加，第六部分第二片柱透镜10对第四部分6分隔开的光束进行叠加；所述的第七部分11为柱透镜或柱透镜组合，其母线与第二部分4柱透镜阵列母线平行，第七部分11位于第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16附近，第七部分11的焦距与第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16与第二片柱透镜10对应的均束面17间的距离相等；第七部分11将第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16转移到第六部分第二片柱透镜10对应的均束面17上，同时对均束面17上的激光光斑在与第二部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度进行压缩，最终形成一条激光光斑能量分布均匀的一条线型激光光斑；入射激光入射到第一部分1，第一部分1将入射的激光变换整形为尽可能充满第二部分4激光入射范围且发散角度尽可能小的激光光斑；入射激光经第一部分1后，出射到第二部分4，第二部分4将入射的激光分为N束并行激光光束；入射激光经第一部分1和第二部分4后，出射到第三部分5，第三部分5N个柱透镜中的每一个对应N束并行激光光束中的一束，控制第二部分4与第三部分5间的距离，可调节均束面16上激光光斑在与第二部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度，并使其为较窄状态；入射激光经第一部分1、第二部分4和第三部分5后，出射到第四部分6，第四部分6将入射的N束激光中的每一束分为N束并行激光光束；入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5和第四部分6后，出射到第五部分7，第五部分7N个柱透镜中的每一个对应第四部分6分割后的N束并行激光光束，控制第四部分6与第五部分7间的距离，可调节均束面17上激光光斑在与第四部分6柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度，并使其为较宽状态；入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6和第五部分7后，出射到第六部分8，第六部分第一片柱透镜9将入射的激光光束在与第六部分第一片柱透镜9母线垂直方向上进行叠加，并形成均束面16，第六部分第二片柱透镜10将入射的激光光束在与第六部分第二片柱透镜10母线垂直方向上进行叠加，并形成均束面17；入射激光经第一部分1、第二部分4、第三部分5、第四部分6、第五部分7和第六部分8后，出射到第七部分11，第七部分11将第六部分第一片柱透镜9对应的均束面16上的激光光斑在与第二部分4柱透镜阵列母线垂直方向上的宽度进行压缩，并在第六部分第二片柱透镜10对应的均束面17上形成一条激光光斑能量分布均匀的线型激光光斑。
2.根据权利要求1所述的一种输出为均勻线光斑的激光光束变换整形器，其特征在 于所述的第二部分和第三部分与第四部分和第五部分相互正交、互不影响，因此存在三种 第二部分、第三部分、第四部分和第五部分的组合形式。第一种组合形式为第二部分、第四 部分、第五部分和第三部分，第二种组合形式为第二部分、第四部分、第三部分和第五部分， 第三种组合形式为第二部分、第三部分、第四部分、第五部分；并且，每种组合形式都能够起 到相同的作用。
3.根据权利要求1所述的一种输出为均勻线光斑的激光光束变换整形器，其特征在 于入射激光的激光光斑形状任意，如正方形、长方形、圆形、椭圆形等；激光光斑能量分 布任意如高斯分布、近高斯分布或其它非均勻分布等。
全文摘要
本发明公开一种输出为均匀线光斑的激光光束变换整形器，是一种将光斑形状不规则、能量分布不均匀的激光光束经过变换整形为能量均匀分布、光斑形状近似为一条线的激光光束的光学系统，主要应用于激光抛光、激光清洗、激光致材料表面改性，属于激光表面处理技术及其应用领域。本发明包括七个部分由多个圆透镜或柱透镜组成的第一部分望远镜系统，由分别具有N个柱透镜的柱透镜阵列构成的第二、第三、第四、第五部分，由两片母线相互垂直的柱透镜构成的第六部分，由柱透镜或柱透镜组合构成的第七部分。本发明将入射激光变换整形为光斑能量分布均匀的线型激光光斑，配合工作台的快速移动，大大提高了激光抛光、激光清洗和激光致材料表面改性的效率。
文档编号G02B27/09GK101995664SQ20101028584
公开日2011年3月30日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者左铁钏, 王桐, 陈涛 申请人:北京工业大学