[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]本实施例，入射激光λ= 532nm，光斑半径0.6mm，扩束系统包括一片平凹柱面镜，焦 距为-25mm，和一片平凸柱面镜，焦距为250mm，扩束倍率为10,扩束后光斑呈椭圆状，椭圆光 斑长轴尺寸7.5mm，短轴尺寸1mm;第一平板玻璃组共9片平板玻璃，尺寸规格aXbX厚度= 20mmX21mmX1mm，材料光学玻璃K9;第二平板玻璃组共9片平板玻璃，尺寸规格aXbX厚度 = 26mmX21mmXlmm，材料为光学玻璃K9;聚焦系统为一片平凸柱面镜，焦距为50mm，用于在 聚焦面上形成均勾线条形光斑，光斑尺度为1_X0.06mm。
[0035]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
[0036]如图1所示，从激光器出射的基模高斯光束发散角很小，可看作准平行光。高斯光 束经过由负柱面镜与正柱面镜组成的扩束系统光斑由圆形变成椭圆形（图1所示是在Y方向 扩束）。扩束后光斑呈椭圆形状，分长轴方向和短轴方向。当平行光通过有一定旋转角度的 平行平板时，光束将在横向产生一定的偏移，第一组平行平板在长轴方向堆叠，绕长轴方向 旋转一定的角度。根据公式
）计算出，图2中2-1、2-2、2-3、2-4、 2-5、2-6、2-7、2-8、2-9绕丫轴方向旋转的角度为23°、23°、16°、8°、0、-8°、-16°、-23°、-23°， 将光束在长轴方向切割为7份，并在X方向产生偏移，沿X方向的偏移为3111111、2111111、1111111、〇111111、-1111111、-2111111、-3111111。为提高能量的利用率，将边缘微弱的能量转移到顶部和底部的子光束，所 以2-1和2-2具有相同的旋转角度，2-8和2-9具有相同的旋转角度。第二组平行平板在X方向 堆叠，绕短轴方向旋转一定的角度。根据公另
计算出，图3中3- l、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-3绕X方向旋转角度为23°、23°、16°、8°、0、-8°、-16°、-23°、_23°，在Y方向的偏移为3 · 3mm、2 · 2mm、1.lmm、0mm、-l· 1mm、-2 · 2mm、-3 · 3mm，3-1 和3-9的 作用均为提高能量利用率，切割后产生的各子光束经过第二组平行平板玻璃，实现在Y方向 重排。本实施中聚焦系统是一个柱面镜，如图5,将重排后的子光束在重排方向进行聚焦，子 光束叠加(子波叠加的过程就是对光源能量进行重新分配和光束均匀化的过程)在聚焦透 镜的后焦平面上，呈现均匀的线条形光斑。
[0037]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 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： 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； 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N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N;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Z轴 重合； 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11 (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) 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|D2(i) I能够使各子光束中心在同一条直线上； 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； 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。2. 根据权利要求1所述高斯光束整形系统，其特征在于:所述的错位位移Dl(i)、D2(i) 和旋转角度11 (i)、12( i)确定方法为： 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 并依次赋值给_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):D2(i)的确定方法为： 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;^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I2(i);3. 根据权利要求1所述高斯光束整形系统，其特征在于:所述的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。4. 根据权利要求1所述基于切割重排的高斯光束整形系统，其特征在于: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，两柱面镜母线相 互平行。5. 根据权利要求1所述高斯光束整形系统，其特征在于:所述扩束系统、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，使相互间的距离尽量小。6. 根据权利要求1所述基于切割重排的高斯光束整形系统，其特征在于:所述的子光束 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，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。
【专利摘要】本发明涉及一种高斯光束整形系统，将具有高斯状分布的圆光斑整形成均匀分布的线条形光斑，用于激光扫描加工，提高加工效率和提高表面温度均匀性。本系统由扩束系统、空间切割重排系统和聚焦系统组成。扩束采用具有一定焦距比的负柱面镜和正柱面镜，实现在其中一个方向的扩束。光束空间切割采用一组具有一定旋转角度的平行平板玻璃，切割产生多分子光束并产生一定的偏移。经另外一组具有一定旋转角度的平行平板玻璃重排，将重排后的光斑经柱面镜聚焦，实现均匀分布的线条形光斑。在实际应用中，可通过调节扩束倍率、平行平板玻璃的厚度和聚焦柱面镜的焦距，在目标面上实现具有不同长度的均匀线条型光斑。
【IPC分类】G02B27/09, B23K26/06
【公开号】CN105425400
【申请号】CN201510962056
【发明人】王海林, 林华鑫, 朱晓, 朱广志, 齐丽君
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月18日