一种基于切割重排的高斯光束整形系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高斯光束整形系统用于激光加工，特适用于需要均匀线条形光斑 的激光加工系统。
【背景技术】
[0002] 在激光加工领域中，由于高斯光束特有的形状分布导致在与材料相互作用过程中 局部温度过高破坏材料的特性。因此我们希望激光光斑均匀，呈现平顶型分布。为提高加工 效率，减少激光扫描时间，兼顾目标面功率密度的需求，将高斯分布的圆光斑整形成均匀的 线条光斑。传统的非球面透镜组或者单片非球面无法改变光斑形状;衍射光学元件难以承 受工业激光中的高功率密度;复眼透镜整形系统在目标面上呈现均匀矩形光斑。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于切割重排的高斯光 束整形系统。该系统针对现有高斯光束整形技术的不足，提供一种经济，提高加工效率，能 够承受高功率密度，在目标面成均匀线条形光斑的光束整形系统。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于切割重排的高斯光束整形 系统，包括按顺序共光轴设置的扩束系统、空间切割重排系统和聚焦系统，其特征在于：
[0005] 所述扩束系统用于将入射的高斯基模光束，在X或Y轴方向扩束，使沿Z轴传输的光 束扩束后的光斑呈椭圆形状，椭圆的长轴方向即为扩束方向，若在Y方向扩束，则长轴方向 为Y轴，短轴方向为X轴;若在X方向扩束，则长轴方向为X轴，短轴方向为Y轴;椭圆光斑长轴 的尺寸为和短轴的尺寸均为长轴方向和短轴方向横截面上光强曲线包含能量95 %所对应 两点之间的距离;所述X、Y轴为垂直于光传输方向Z轴平面上的正交坐标轴；
[0006] 所述空间切割重排系统用于将入射的椭圆光斑切割重排为与椭圆长轴方向垂直 的Ν份子光束，其包括两套平板玻璃组，每套平板玻璃组由若干结构和尺寸相同的平板玻璃 叠放而成，玻璃片数为Ν;玻璃片长和宽均大于椭圆长轴;第一平板玻璃组每片玻璃的厚度 由扩束后椭圆光斑长轴方向尺寸和所需的切割份数决定，第二平板玻璃组每片玻璃厚度和 椭圆短轴方向尺寸相同；第一平板玻璃组的平面法向矢量与长轴方向平行，第二平板玻璃 组的平面法向矢量与短轴方向平行;各平板玻璃组光轴均与扩束系统的光轴重合，所述平 板玻璃组光轴，是指平行于各平板玻璃且通过平板玻璃组侧面几何中心的轴，在本发明中 与Ζ轴重合；
[0007] 所述平板玻璃组中，各平板玻璃错位叠放而成，第一平板玻璃组叠放方向与椭圆 长轴一致，第二平板玻璃组叠放方向与椭圆短轴一致;第一平板玻璃组的各平板玻璃向椭 圆长轴正负两个方向逐次对称错位，第二平板玻璃组的各平板玻璃向椭圆短轴正负两个方 向逐次对称错位，所述错位以各光学元件的平面几何中心为轴转动一定角度实现的；所述 第一平板玻璃组各玻璃片的旋转角度Il(i)以保证分解后的各子光束在椭圆短轴方向的错 位位移|Dl(i)|大于椭圆短轴方向尺寸，目的为防止子光束的干扰造成能量利用率下降;所 述第二平板玻璃组各玻璃片旋转角度I2(i)以保证分解后的各子光束在长轴方向重排所需 错位位移ID2(i) |能够使各子光束中心在同一条直线上；
[0008] 所述聚焦系统包括一片柱面镜，其母线垂直于各子光束中心的连线，其平面一端 与空间切割重排系统平行，其屈光力子午线方向和椭圆短轴方向平行，用于将空间切割重 排系统输出的在椭圆短轴方向重排的子光束，转换成均匀线条形光斑；
[0009] 工作时，激光器输出基模光束，经扩束系统后，形成椭圆型光斑;经空间切割重排 系统进行高斯高束的切割和重排，形成在椭圆短轴方向重排的多个子光束；多个子光束经 聚焦系统会聚成均匀的线条型光班。
[0010] 优选地，所述高斯光束整形系统中的空间切割重排系统中，所述的错位位移D1 (i)、D2(i)和旋转角度II(i)、12(i)优选确定方法为：
[0011] 若N为奇数，则光束空间切割所得子光束沿短轴方向的位移为， 丨
;并依次赋值给別(￥)、
?若N为偶数，则 光束空间切割所得子光束沿短轴方向的位移为
,并依次赋值给
根据Dl(i)，由下式计算出Il(i):
[0012]
[0013] D2(i)的确定方法为：
[0014] 若N为奇数，重排时各子光束沿长轴方向的位移为
_;并依次赋值给、 2
I;若N为偶数，重 排时各子光束沿长轴方向的位移为
，并依次赋值给并依次赋值给<
所述k为扩束倍率，ω为扩束前 光斑直径;根据D2 (i)，由下式计算出12 (i);
[0015]
[0016]两套平板玻璃组的规格尺寸的最终确定，在确保完成光束切割重排的前提下，以 经济、小巧为原则。
[0017]优选地，所述高斯光束整形系统中，聚焦系统由两片或者多片柱面镜组成，各柱面 镜屈光力子午线方向均与椭圆短轴方向平行，在聚焦方向上的组合聚焦为正，组合焦距的 大小由所需的后工作距离调整。
[0018]优选地，所述高斯光束整形系统中，扩束系统为共轴光学系统，由一片负柱面镜和 一片正柱面镜或者均为两片正柱面组成，两柱面母线相互平行。
[0019]优选地，所述高斯光束整形系统中，扩束系统、空间切割重排系统和聚焦系统，在 保证能够保证机械安装的情况下，距离越小越好。
[0020] 优选地，所述高斯光束整形系统中，空间切割重排系统两套平板玻璃组的规格尺 寸，在确保完成光束切割重排的前提下，以经济、机械结构小型化为原则。
[0021] 优选地，所述高斯光束整形系统中，子光束份数N根据系统要求确定，子光束份数 越多，每套平板玻璃组所需的平板玻璃份数越多，可能平板玻璃的厚度也越小，平板玻璃的 加工越困难，机械结构越复杂，聚集光斑越细。
[0022] 工作中，扩束系统将入射高斯基模光束只在其中一个方向（Y)扩束相应的倍率，由 于在X和Y方向具有不用的扩束比，光斑形状发生改变。空间切割和重排系统由两组平行平 板组组成，第一组平行平板玻璃对扩束后的光束空间切割产生多分子光束并产生一定的偏 移，第二组平行平板玻璃对切割后所产生的子光束进行重排。聚焦系统将重排后的光束方 向聚焦，从而在目标面上形成均匀线条型光斑分布。
[0023]总体而言:通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于结构简单，镜 片易于加工，价格低廉，通过选择不同的扩束倍率的柱面镜扩束系统、不同份数的平行平板 玻璃达到不同的切割份数和不同的焦距的柱面镜实现不同的聚焦效果，从而实现在目标面 上实现不同长度的均匀线条形光斑，满足工业加工的需要。
【附图说明】
[0024]图1柱面镜扩束系统；
[0025]图2光束经过倾斜平板造成横向位移；
[0026]图3是光束空间切割系统(Y-Z平面视图）；
[0027]图4是光束空间重排系统(X-Z平面视图）；
[0028]图5是柱面镜聚焦系统；
[0029]图6是柱面镜光学特性，光线通过轴向子午线（图6a)中垂直方向不会出现聚散度 的改变，光线通过屈光力子午线（图6b)中水平方向，会出现聚散度的改变。
[0030]图7是整个光束整形系统在Y-Z平面上的视图；
[0031] 图8是光束整形过程中光斑变化图；（a)激光器出射光斑(b)经过柱面镜扩束系统 后光斑(c)经过第一组平行平板玻璃后的光斑(d)经过第二组平行平板玻璃后的光斑(e)经 过聚焦系统后的光斑；
[0032]图中：1-1是负柱面镜、1-2是正柱面镜、2-1(2-2)~（2-8)2-9是平行平板玻璃(具 有不同的旋转角度）、3-1(3-2)~(3-8)3-9是平行的平板玻璃(具有不同的旋转角度），由于 扩束后椭圆光斑边缘部分的光强很弱，在光斑直径定义时并在包含在内，为充分利用能量， 将边缘部分的能量转移到子光束中，在平板玻璃组两侧各加一片玻璃，即2-U2-2具有相同 的旋转角度，2-8、2-9具有相同的旋转角度，3-1、3-2具有相同的旋转角度，3-8、3-9具有相 同的旋转角度;4-1正柱面镜。
【具体实施方式】