一种单镜输出圆对称光斑的光学系统

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种单镜输出圆对称光斑的光学系统。

背景技术：

1、常规的高斯分布聚焦光斑中心能量高边缘能量低，用于激光加工时易造成中心过烧、产生气孔、飞溅等，边缘熔化不足、加工不完全等缺陷。例如在激光玻璃薄膜技术中，高斯激光加工中心区域远高于消融阈值，会损坏基板材料，而高斯分布的下降沿的能量低于消融阈值，会产生热效应，损坏薄膜结构。强度可调圆对称光斑可以显着地改善与消融阈值的这种能量匹配，借助于该消融阈值，可以减小高于阈值的过剩能量和下降沿中的过剩能量，避免对激光划线下方的基板和相邻区域的潜在损坏，大大提高加工效果。由平顶激光产生的矩形足迹可以产生具有非常小重叠的直壁，从而提高了激光微加工的处理速度。

2、目前，激光加工领域中，产生强度可调圆对称光斑的方法有多种，但部分方法并不适用于高功率的激光加工场景，例如空间光调制器。目前，适用于高功率加工场景的强度可调圆对称光斑解决方案可以分为两类，一类是基于光纤特殊结构的平顶光纤激光器，可以直接由激光器输出环形光斑；另一类则是基于光学元件的外光路整形，通过对一般激光器输出的高斯光束进行光束整形以获得强度可调圆对称光斑。

3、coherent公司推出了平顶型激光器产品，可以实现高均匀度平顶激光的输出。但是，这类激光器均存在一下缺陷：一是成本高昂，可输出强度可调圆对称光斑的光纤激光器的价格远高于一般的光纤激光器；二是应用场景受限较大，基于光纤特殊结构的平顶光束整形方法只适用于光纤激光器，但在激光加工中，仍存在许多不适合使用光纤激光器作为加工光源的场景；三是光斑的大小有限，只能输出预设的强度可调圆对称光斑尺寸，无法调节其他类强度可调圆对称光斑模式，如环凹光斑。

4、在基于光束整形元件的外光路整形中，使用的光束整形元件有多种，粗略地可划分为两类：第一类光束整形元件是透射式整形元件，例如微透镜、光束整形doe以及其他诸多具有光束整形作用的透射光学整形元件，例如edmund公司的adlopticaπshaper平顶光束整形器等。但目前的透射式光学整形元件存在以下缺陷：损伤阈值较低，因此在超高功率的激光加工中，透射式光学元件的稳定性和使用寿命是不足的；许多透射式光学整形元件的镜面形状较为复杂，加工难度大、加工成本高。第二类光束整形元件则是反射式整形元件，例如非球面反射镜等。与透射式光学整形元件相比，由于主体材料可以采用金属并且内置水冷通道，反射式整形元件具有更高损伤阈值，加工技术也更为成熟。但是，目前基于反射式整形元件的强度可调圆对称光斑整形光路的缺点在于：镜面整形效果单一，复杂功能镜面加工精度要求高，加工难度大。

5、综上，目前实现极大功率的平顶光束整形的一种思路就是在反射式整形元件的基础上，如何尽可能地去简化光路，满足整形模式多样化的同时降低加工复杂度，提高稳定性和适用性。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，旨在解决如何尽可能地去简化光路，满足整形模式多样化的同时降低加工复杂度，提高稳定性和适用性的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，包括：沿光路依次放置的光源、整形聚焦单元；

3、所述光源用于产生高斯光束；

4、所述整形聚焦单元采用匀化的三维圆对称光斑反射单镜，用于对入射的高斯光束进行整形，改变光斑分布模式，并聚焦于工作面的预设位置形成尺寸可调的目标三维圆对称光斑；所述三维圆对称光斑的不同光斑部分处于相同/不同平面；

5、所述整形聚焦单元的反射面的相位通过以下方式确定：基于所述三维圆对称光斑反射单镜的准直焦距、聚焦焦距、入射高斯光束的入射光线和目标三维圆对称光斑对应的出射光线确定基础椭球镜面的曲面方程，再根据目标三维圆对称光斑对应的能量分布确定镜面整形区域和对应的发散角，不同镜面整形区域叠加对应的横向偏移相位和纵向偏移相位。

6、可选的，所述整形聚焦单元用于通过调节横向偏移相位来改变目标三维圆对称光斑的分布，所述目标三维圆对称光斑包括：平顶光斑、环凹光斑和环凸光斑。

7、可选的，所述整形聚焦单元用于通过调节纵向偏移相位来改变目标三维圆对称光斑中不同光斑部分所在的焦平面位置。

8、可选的，所述三维圆对称光斑反射单镜为旋转椭球反射镜；旋转椭球反射镜包括入射方向的焦点和出射方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点；前焦点对应的焦平面记为前焦面，所述光源位于前焦面；后焦点对应的焦平面记为后焦面，所述工作面为后焦面；所述前焦点到反射面的中心点的距离记为准直焦距；所述后焦面中心点到反射面的中心点的距离记为聚焦焦距；

9、根据光线传播中的等光程原理，在反射面上引入椭球相位和梯度相位，所述椭球相位用于将入射光线经反射后聚焦在工作面的预设位置，所述梯度相位用于将入射的高斯光束进行整形，改变光斑分布模式，得到强度均匀分布的目标三维圆对称光斑；

10、在反射镜面上r处的输入光束能量对应于工作面的光斑部分半径为r的光环，目标三维圆对称光斑半径为r处光环与入射的高斯光束的半径为r处光环的对应关系为：

11、

12、其中，f1为预设准直焦距；f2为预设聚焦焦距；is(r,θ)为入射圆光斑光强极坐标分布，对于高斯光束，其满足二维高斯分布；it(r,θ)为目标平顶圆光斑光强极坐标分布。

13、可选的，所述反射面的镜面整形区域通过以下方式确定：对入射光线进行锥状划分，根据目标三维圆对称光斑的能量分布将镜面划分为不同整形区域，由不同整形区域之间的能量占比确定各自发散角范围。

14、可选的，所述整形聚焦单元的反射面的不同区域边界采用匀化，以使镜面光滑无凹槽；所述整形聚焦单元的镜面通过以下方式进行匀化：从镜面中心沿半径做辐射状线条，同一线条上位于不同整形区域的加工点减去相位差值。

15、可选的，所述光源为激光器。

16、可选的，所述整形聚焦单元的反射面形状为非旋转对称的自由曲面。

17、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

18、1、本发明实施例提供了一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，整形聚焦单元采用匀化的三维圆对称光斑反射单镜；基于三维圆对称光斑反射单镜的准直焦距、聚焦焦距和目标光场的光斑分布模式，设定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理、能量守恒原理，构建强度可调的目标三维圆对称光斑所对应的匀化的三维圆对称光斑反射单镜的反射面曲面方程；本发明通过单镜即可同时兼具光束准直、整形和聚焦功能，从激光光源得到强度可调圆对称光斑，无需其他光学元件，能够以较少的光学元件、精简的光路结构，实现输出高均匀度且强度可调的圆对称光斑，圆对称光斑的尺寸任意可调，且不同光斑部分处于相同/不同平面，适应于实际加工中不同场景的需求。

19、2、本发明实施例提供了一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，整形聚焦单元采用匀化的三维圆对称光斑反射单镜，反射镜面采用匀化后，解决了多段曲面组合时整个镜面的连续性问题，降低了复杂面形加工难度。进一步的，本发明的光斑整形可供选择的模式较多，不局限于高均匀度且强度可调圆对称光斑，而包含了更复杂的可编程强度分布圆对称光斑，如环凹光斑、环凸光斑；且环凹光斑、环凸光斑的各部分能量占比可调。

20、3、本发明实施例提供了一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，采用较少的光学元件构建光学系统，使得光学系统的调节难度更小，光路稳定性更好，损伤阈值更高；输出不同尺寸强度可调圆对称光斑所需的光学元件较少，减小了各元件加工误差或装配误差累积，使得本发明中的光斑整形系统能获得更稳定、更准确的输出；同时也减小了光路体积，具有更精简的光路结构，抗干扰能力更强。

21、4、本发明实施例提供了一种单镜输出圆对称光斑的光学系统，提出的对镜面相位设计的方法，可以实现设计并控制整形后光束的传输特性和离焦光场分布，有利于满足不同应用需求。