一种激光束空间动态整形装置及方法

本发明属于光电子及激光，更具体地，涉及一种激光束空间动态整形装置及方法。

背景技术：

1、在传统的激光加工中，多采用高斯型激光光束，该模式光束中心能量高，四周能量低，在加工中将导致热烧蚀不均匀，从而引起加工质量差、热影响严重等问题。随着激光加工向精密制造方向快速发展，激光加工对激光光斑强度的空间分布有了更多的要求，如需采用平顶匀化光斑，空心光斑、条形光斑等，需要将传统高斯光束整形为其他光斑特性的激光束。因此，激光光束空间整形器成为激光精密加工中光场调控的核心器件。

2、激光光束空间动态整形器的主要作用是将一束能量/功率较高的高斯激光在空间形状上进行能量重新分配变换，达到不同的空间光束形状，以适配不同的加工要求。根据光束变换原理，可以将激光整形器分为折射激光整形器和衍射激光整形器。传统折射整形器如透镜阵列及棱镜阵列，这类整形器是对输入激光进行折射变换。衍射激光整形器利用光的衍射特性，在器件表面不同位置处对激光波前进行相位与强度调控，各位置光束衍射传输并干涉叠加，以达到对激光光束的空间整形。目前有多种光学器件可以制作衍射整形器，包括doe元件、衍射型微透镜阵列、基于液晶的空间光调制器等。

3、但是，传统折射整形的变换方式单一，调制精度低；衍射激光整形器中doe元件制作复杂，对入射光的光束特性要求较高，多种光束变换效果需要不同doe元件协调使用，增加了系统成本，衍射型微透镜阵列对入射光的光束特性要求较高，空间分辨率较低，基于液晶的空间光调制器能够动态调整光束的空间相位、强度与偏振态，但是其价格昂贵、光阈值功率低，不适用于高平均功率、高峰值功率、大单脉冲能量激光的整形。

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激光束空间动态整形装置及方法，旨在解决大功率激光束整形系统构成复杂，且装置成本较高，体积较大的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种激光束空间动态整形装置，包括：依次设置的激光预分束单元、激光空间调制单元和光路变换单元；

3、所述激光预分束单元用于将入射激光束预分束，分为两束夹角为二倍布拉格衍射角的激光束；

4、所述激光空间调制单元，用于将预分束后的两束激光束进行再次分束，得到两束0级衍射激光、一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光；

5、所述激光空间调制单元的驱动功率和驱动频率可调，所述驱动功率用于调制四束衍射激光的强度，所述驱动频率用于调制一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光的角度；

6、所述光路变换单元用于改变调制后的四束衍射激光的方向，形成合束激光，在工作面处形成整形后的光斑。

7、可选的，所述激光空间调制单元包括：超声场产生模块和声光偏转模块；

8、所述超声场产生模块设置于所述声光偏转模块的底部，用于产生超声场覆盖所述声光偏转模块；

9、所述声光偏转模块沿光路方向设置于所述激光预分束单元后方，用于使预分束后的两束激光束在超声场的作用下发生衍射，形成一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光。

10、可选的，所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能器和声光互作用介质；

11、所述声光互作用介质设置在声光偏转模块内；

12、所述压电换能器为附着于所述声光互作用介质表面的一层具有压电性质的薄片，且所述压电换能器中压电层两端的电极层与所述射频驱动电源相连接；

13、所述射频驱动电源用于在射频信号的驱动下，作用于所述压电换能器，使得所述压电换能器高频地振动，并与所述声光互作用介质形成具有体光栅性质的能量可调的超声场。

14、可选的，所述声光互作用介质为熔石英、石英晶体、单晶锗、氧化碲或钼酸铅中任意一种。

15、可选的，所述光路变换单元采用透镜或透镜组。

16、第二方面，本发明还提供了一种激光束空间动态整形方法，适用于如第一方面中任一项所述的一种激光束空间动态整形装置中，包括：

17、s1、基于入射激光束的波长、激光空间调制单元的参数和预分束后的两束激光束夹角θb0，计算得到整形后的光斑的位置及光强分布；

18、s2、根据整形后的光斑的位置及光强分布与目标光斑的位置及光强分布计算激光空间调制单元的目标驱动功率参数和目标驱动频率参数；

19、s3、根据所述目标驱动功率参数和目标驱动频率参数调节激光空间调制单元，对入射激光束进行动态调制与整形。

20、可选的，s1包括：

21、s11、计算预分束后的两束激光束在激光空间调制单元中分束和调制后生成的四束衍射激光中-1级和+1级衍射激光分别与0级衍射激光的夹角2θb；

22、s12、根据-1级和+1级衍射激光与0级衍射激光的夹角2θb、预分束后的两束激光束的夹角2θb0以及激光空间调制单元的参数，分别确定-1级和+1级衍射激光反向延长线与激光预分束单元的交点位置y1和y2；计算公式如下：

23、

24、其中，l3为声光互作用介质的长度；

25、s13、通过透镜公式计算-1级和+1级衍射激光整形后的光斑的位置y1′和y2′；

26、

27、其中，l1为光路变换单元与入射激光束腰位置的距离，l2为光路变换单元与装置工作面的距离；

28、s14、获取激光束整形后在y1′、y2′和o′处的高斯光斑的光强分布，其中，o′处为两束0级衍射激光整形后的光斑的位置。

29、可选的，所述光路变换单元、所述激光空间调制单元和装置工作面之间的距离关系满足透镜的物像关系公式：

30、

31、其中，f为所述激光空间调制单元的焦距。

32、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

33、(1)仅采用两个分束器件，对入射激光进行分束调控并整形，输出相应的整形激光束，使整个系统更加而灵活可控。相较于传统整形系统的光路更加简洁，易于调试。

34、(2)对于空间调制单元而言，其衍射效率和衍射角与驱动功率和驱动频率有关，通过改变驱动功率可以调控衍射光的能量；通过改变驱动频率可以调控衍射光束方向，以此对激光进行动态分束调制，最后由光路变换单元汇聚成整形后的光斑。空间调制单元无需切换多组整形镜组或衍射光学器件，在减小装置体积的基础上，可以在10us内切换驱动强度与驱动频率，以此实现高速动态光束调制与整形。

技术特征：

1.一种激光束空间动态整形装置，其特征在于，包括：依次设置的激光预分束单元、激光空间调制单元和光路变换单元；

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光空间调制单元包括：超声场产生模块和声光偏转模块；

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能器和声光互作用介质；

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声光互作用介质为熔石英、石英晶体、单晶锗、氧化碲或钼酸铅中任意一种。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光路变换单元采用透镜或透镜组。

6.一种激光束空间动态整形方法，适用于如权利要求1-5任一项所述的一种激光束空间动态整形装置中，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的调节方法，其特征在于，s1包括：

8.如权利要求7所述的调节方法，其特征在于，所述光路变换单元、所述激光空间调制单元和装置工作面之间的距离关系满足透镜的物像关系公式：

技术总结
本发明公开了一种激光束空间动态整形装置及方法。该装置包括：依次设置的激光预分束单元、激光空间调制单元和光路变换单元；激光预分束单元将入射激光束预分束；激光空间调制单元将预分束后的两束激光束进行再次分束，得到两束0级衍射激光、一束‑1级衍射激光和一束+1级衍射激光；激光空间调制单元的驱动功率和驱动频率可调，驱动功率调制四束衍射激光的强度，驱动频率调制一束‑1级衍射激光和一束+1级衍射激光的角度；光路变换单元改变调制后的四束衍射激光的方向，形成合束激光，在工作面处形成整形后的光斑。实现了通过两组分束器件对高斯光束的高速动态整形。

技术研发人员：朱广志,孙圣开,李茁芸,马翔宇,徐谱昌
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12