CN102628996B - 一种基横模激光器光束整形装置和整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基横模激光器光束整形装置，沿光路依次包括：基横模激光器、小孔光阑B、聚焦透镜C和4-f成像单元；所述小孔光阑B置于所述基横模激光器所发射光束的腰斑的位置处，所述4-f成像单元的物面位置可调，以便于截取光束通过所述小孔光阑B和所述聚焦透镜C后所形成的所需的衍射面。本发明能量转化效率高；近场和远场都能很好的保形；并且机构紧凑，成本低廉，损伤阈值高，适合做成各种口径。

Description

一种基横模激光器光束整形装置和整形方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种激光器光束整形装置和整形方法。

背景技术

基横模激光器进行光束整形是激光技术领域当前的研究热点之一，它已广泛地应用于工业生产之中。例如，为了提高产品的成品率，扩大液晶显示器的尺寸，对坏晶区进行激光束修复处理是非常重要的一环。在进行液晶修复时，需保证擦除坏的晶区的同时不损伤完好区域，这就对光束的形状提出了较高的要求。一般来说，用于进行液晶修复的激光束需要光束质量好、能量分布均匀(即能量平化)，而实际的基模激光束能量却是呈高斯分布的，不能直接使用，因此需对其进行整形处理。

目前，对高斯光束进行整形的方法有很多。最常用的方法是利用显微物镜将高斯光束扩束准直后，提取其中心相对均匀的部分，从而获得能量相对均匀的光束。这种方案的缺陷是光能浪费很大，只有约5％的能量被利用。利用液晶光阀使高斯光束平化也是一种方便快捷的光束整形方案，但是这种方案成本较高，且能量利用率只达到10％左右。利用积分镜对高斯光束进行整形是近年来的研究热点，其原理是利用积分镜将高斯光束分成四等份，将四等份重叠成一个矩形，这种方法的光束平化程度高，能量损失少，但是缺点是要制作复杂的积分镜，成本较高。

另外，US2011/8023206公开了一种新的消相差的高斯光束整形系统，该装置由两个透镜组组成，一组构成消像差结构，另一组构成一个伽利略光学结构，该装置能把高斯光束整成平化的光束，但是，它只能实现近场整形，整形后的光束经过一段距离后，均匀性就会变差，并且该装置的镜片设计非常复杂。

中国专利ZL200410024887.4公开了一种基于调制器结构的激光束整形装置，该装置利用平面阵列式反射型聚合物波导电光调制来进行光束整形的，其缺点是结构复杂，且远场整形效果不好。

因此，当前迫切需要一种结构简单、平化效果较好、能量利用率高且远场整形效果好的光束整形装置和整形方法。

发明内容

本发明的任务是提供一种结构简单、平化效果较好、能量利用率较高的基横模激光器光束整形装置和整形方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基横模激光器光束整形装置，沿光路依次包括：基横模激光器、小孔光阑B、聚焦透镜C和4-f成像单元；所述小孔光阑B置于所述基横模激光器所发射光束的腰斑的位置处，所述4-f成像单元的物面位置可调，以便于截取光束通过所述小孔光阑B和所述聚焦透镜C后所形成的所需的衍射面。

其中，所述基横模激光器和小孔光阑B之间还包括聚焦镜A，聚焦镜A用于调节所述基横模激光器所发射光束的腰斑的位置和尺寸。

其中，所述小孔光阑B为矩形小孔光阑。

其中，所述小孔光阑B为方形小孔光阑。

其中，方形小孔光阑的方形小孔的边长为光束腰斑直径的1.0～1.2倍

其中，所述小孔光阑B的孔的尺寸可调。

其中，所述4-f成像单元的焦距可调。

其中，所述4-f成像单元所截取的衍射面位于所述聚焦透镜C后150mm～165mm处。

本发明还提供了利用上述基横模激光器光束整形装置的光束整形方法，包括下列步骤：

1)基于等效菲涅耳衍射解析公式，数值模拟出一系列的聚焦透镜后衍射面的光斑图样；

2)比较各衍射面的光斑图样，选出作为实际整形目标光斑图样；

3)将整形目标光斑图样所对应的参数设置小孔光阑的尺寸、4-f成像单元中物面的位置以及基横模激光器的光束的腰斑半径；

4)基横模激光器发射光束，在4-f成像单元的输出端得到整形后的光束。

其中，所述步骤1)中，基于等效菲涅耳衍射解析公式，在已知光束波长的前提下，按一定步长在一定范围内选取等效小孔尺寸、等效衍射距离和等效腰斑半径组合，数值模拟出一系列的聚焦透镜后衍射面的光斑图样；

所述步骤3)中，将整形目标光斑图样所对应的等效方孔宽度设置为实际基横模激光器光束整形装置中的方形小孔光阑的宽度，根据整形目标光斑图样所对应的等效衍射距离设置4-f成像单元中物面的位置，以整形目标光斑图样所对应的等效腰斑半径设置基横模激光器的光束的腰斑半径。

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

1、能量转化效率高。

2、近场和远场都能很好的保形。

3、机构紧凑，成本低廉，损伤阈值高，且适合做成各种口径。

附图说明

图1是激光器基模光束整形装置光路图；

图2是整形以后获得的平化光束的平面图；

图3是整形以后获得的平化光束强度分布的三维立体图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基横模激光束整形装置。图1示出了该激光器基模光束整形装置的光路图，该激光器依次包括基横模激光器G、聚焦镜A、可调方形小孔光阑B，聚焦透镜C和4-f成像单元F，图1中D表示4-f成像单元的物面，E表示4-f成像单元的像面。需要说明的是，4-f成像单元的物面D同时也是4-f成像单元所截取的光束衍射面，下文中将对此进行详细描述。

本实施例中，基横模激光器选用的半导体激光器端面泵浦的Nd:YAG激光器，可产生1064nm的直径为1mm的基模高斯激光束。基横模激光器发出的光束照射到聚焦镜A上，在其后透镜焦点处产生一腰斑。可调方形小孔光阑B至于该腰斑位置。调节小孔光阑B的尺寸可使激光束过小孔光阑后的损耗较小，同时保证较好的衍射效果。小孔光阑B的尺寸利用衍射理论计算获得。一般来说，光阑边长为光束腰斑直径的1.0-1.2倍时，可以获得较好的衍射面，本实施例中取1.1倍。光束通过小孔光阑B后经过聚焦透镜C，产生所需的平化的衍射面。本实施例中，在聚焦透镜C后150mm-165mm处，可得到平化效果较好的衍射光斑。图2示出了用光束质量分析仪(beamview)测得的聚焦透镜C后160mm的衍射面，其强度分布的三维立体图如图3所示，可以看出该衍射面的平化效果非常优异。本实施例中，4-f成像单元装在步长精度为0.5mm的步进电机上，且4-f成像单元焦距可调。移动4-f系统的位置可使其物面与所选取的衍射面精确重合，从而获得所选取的衍射面处的平化效果较好的衍射光斑，即获得平化效果较好的像。而通过改变4-f系统的焦距，可把该平化效果较好的像传到所需要的位置，最终达到光束整形的目的。

需要说明的是，上述基横模激光束整形装置中，聚焦镜A主要作用是调节光束腰斑位置和腰斑半径，在简化的基横模激光束整形装置，聚焦镜A也可省略，这并不影响本发明基本功能的实现。

基于上述基横模激光束整形装置(含聚焦镜A)，为了选取到光束平化效果最好的衍射面，可以对光束通过矩形光阑后的衍射面的衍射情况进行数值模拟，然后根据模拟结果确定平化效果相对较好的衍射面D的位置。

下面简要介绍数值模拟的原理。

从矩形光阑B到衍射位置D的传输矩阵可以表示为：

$M_0=\left(\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& d1\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& d\\ 0& 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，d为方形小孔光阑B和聚焦透镜C之间的距离，f为聚焦透镜C的焦距，d1为聚焦透镜C到衍射面D之间的距离。衍射面D处的复振幅可以用柯林斯公式表示：

$U(x,y)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkL}\right)}{\mathrm{j\λ}{B}_1}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{U}_1(x_1,y_1)\exp \left\{\frac{\mathrm{jk}}{2B_1}\right[A_1(x_1^2+y_1^2)+D_1(x^2+y^2)-2(x_{1}x+y_{1}y)\left]\right\}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1---\left(2\right)$

其中，A₁、B₁、C₁、D₁分别为传输矩阵M₀的矩阵元，x₁、y₁表示小孔光阑处任意面元的横、纵坐标，x、y表示衍射面D处的任意面元的横纵坐标，Z轴方向即光束传播方向且Z轴穿过小孔光阑中心，小孔光阑所在面和衍射面D的坐标原点均在所述Z轴上，k为波数，L为衍射距离，λ为波长，U₁(x₁，y₁)＝U·P(x₁，y₁)为入射平面光波复振幅，

为单位振幅高斯光的复振幅，w为高斯光束的腰斑半径。为矩形光阑的光瞳函数表达式，L_x和L_y分别是矩形的长和宽。当然，易于理解，当光阑的小孔为圆形时，P(x₁，y₁)的表达式为圆形光瞳函数表达式，当光阑的小孔为其它形状时，P(x₁，y₁)的表达式就为相应形状的光瞳函数表达式。

对柯林斯公式积分部分相位因子进行配方，由A₁D₁-B₁C₁＝1关系，可以整理成与菲涅耳衍射积分相似的形式，求出等效矩形孔的宽度及等效衍射距离，利用矩形孔菲涅耳衍射的解析公式写出D面的强度分布：

$U(x,y)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkL}\right)}{\mathrm{j\λ}{B}_1}\exp \left[j\frac{{\mathrm{kC}}_1}{2A_1}(x^2+y^2)\right]$ (3)

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{U}_1(x_1,y_1)\exp \left\{j\frac{k}{2B_1{A}_1}\right[{(A_1{x}_1-x)}^2+{(A_1{y}_1-y)}^2\left]\right\}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dy}}_1$

作变量代换x_a＝A₁x₁，y_a＝A₁y₁得：

$U(x,y)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkL}\right)}{\mathrm{j\λ}{B}_1{A_1}^2}\exp \left[j\frac{{\mathrm{kC}}_1}{2A_1}(x^2+y^2)\right]$ (4)

$\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{U}_1(\frac{x_a}{A_1},\frac{y_a}{A_1})\exp \left\{j\frac{k}{2B_1{A}_1}\right[{(x_a-x)}^2+{(y_a-y)}^2\left]\right\}{\mathrm{dx}}_a{\mathrm{dy}}_a$

等效方孔宽度：L_a＝|A₁L_x|，等效衍射距离：z_a＝|A₁B₁|，等效腰斑半径：w1＝|A₁w|从方程(4)中可以看出，当波长和焦距确定时，衍射面D处的光强分布由上述三个等效量决定，固定其中两个量可以考察第三个量对光强分布的影响。

此外，4-f成像单元的传输矩阵可以表示如下(f＝100mm)：

$M_1=\left(\begin{array}{cc}1& f\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 2f\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/f& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& f\\ 0& 1\end{array}\right)$ (5)

$=\left(\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& -1\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

由以上的传输矩阵表达式可以看出，4-f成像单元在将一个近平面波传输的光束面(本实施例中是光束的一个衍射面)从其物面到像面的传递过程中，不改变该光束面的性质。

根据上述分析，基于矩形孔的等效菲涅耳衍射解析公式，在已知光束波长的前提下，按一定步长在一定范围内选取等效方孔宽度、等效衍射距离和等效腰斑半径组合，可利用快速傅利叶算法(FFT)，数值模拟衍射面D的光斑图样。反过来，就可以在不同数值模拟所得出的衍射面D的光斑图样中选出平化效果好的，进而推出该平化效果好的光斑图样所对应的等效方孔宽度、等效衍射距离和等效腰斑半径的数值组合。

基于上述说明，根据本发明的一个实施例，提供了一种基于上述基横模激光束整形装置的光束整形方法，包括下列步骤：

1、基于等效菲涅耳衍射解析公式，在已知光束波长的前提下，按一定步长在一定范围内选取等效小孔尺寸、等效衍射距离和等效腰斑半径组合，数值模拟出一系列的聚焦透镜C后衍射面D的光斑图样。为简单起见，本实施例中只考虑矩形孔的特殊情况--方孔，等效方孔宽度实际上就是方孔的边长。但需要说明的是，本发明的小孔光阑形状并不限于方孔，基于等效菲涅耳衍射解析公式，同样可以模拟出非方孔的矩形孔以及其它形状小孔的等效尺寸(当小孔为矩形孔时，即等效尺寸指的是等效长度和宽度)，并进而得出对应的衍射面D的光斑图样。

2、比较各衍射面D的光斑图样，选出平化效果好的作为实际整形目标光斑图样。本步骤中，可以先输出数值模拟的各衍射面D的光斑图样，然后凭肉眼观察选出其中平化效果相对最好的光斑图样。也可以基于各衍射面D的光斑图样的填充因子F来选择平化效果好的光斑图样。填充因子F定义如下：

<I>表示平均光强，I_max表示光强最大值，当均匀分布时，F＝1，光束强度起伏越大，填充因子越小。

3、将整形目标光斑图样所对应的等效方孔宽度设置为实际基横模激光器光束整形装置中的方形小孔光阑B的宽度，根据整形目标光斑图样所对应的等效衍射距离设置4-f成像单元中物面的位置，以整形目标光斑图样所对应的等效腰斑半径设置基横模激光器的光束的腰斑半径。在具体实现上，可通过改变聚焦镜A处的入射光束尺寸和聚焦镜A的焦距来改变腰斑半径。

4、基横模激光器发射光束，在4-f成像单元的输出端得到整形后的光束。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。

Claims (9)

1.一种基横模激光器光束整形装置，沿光路依次包括：基横模激光器、小孔光阑、聚焦透镜和4-f成像单元；所述小孔光阑置于所述基横模激光器所发射光束的腰斑的位置处，所述4-f成像单元的物面位置可调，用于截取光束通过所述小孔光阑和所述聚焦透镜后所形成的所需的衍射面，方形小孔光阑的方形小孔的边长为光束腰斑直径的1.0～1.2倍。

2.根据权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述基横模激光器和小孔光阑之间还包括聚焦镜，聚焦镜用于调节所述基横模激光器所发射光束的腰斑的位置和尺寸。

3.根据权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述小孔光阑为矩形小孔光阑。

4.根据权利要求3所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述小孔光阑为方形小孔光阑。

5.根据权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述小孔光阑的孔的尺寸可调。

6.根据权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述4-f成像单元的焦距可调。

7.根据权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置，其特征在于，所述4-f成像单元所截取的衍射面位于所述聚焦透镜后150mm～165mm处。

8.一种利用权利要求1所述的基横模激光器光束整形装置的光束整形方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）基于等效菲涅耳衍射解析公式，数值模拟出一系列的聚焦透镜后衍射面的光斑图样；

2）比较各衍射面的光斑图样，选出作为实际整形目标光斑图样；

3）根据所述实际整形目标光斑图样所对应的参数设置小孔光阑的尺寸、4-f成像单元中物面的位置以及基横模激光器的光束的腰斑半径；

4）基横模激光器发射光束，在4-f成像单元的输出端得到整形后的光束。

9.根据权利要求8所述的光束整形方法，其特征在于，所述步骤1）中，基于等效菲涅耳衍射解析公式，在已知光束波长的前提下，按一定步长在一定范围内选取等效小孔尺寸、等效衍射距离和等效腰斑半径组合，数值模拟出一系列的聚焦透镜后衍射面的光斑图样；

所述步骤3）中，将所述实际整形目标光斑图样所对应的等效方孔宽度设置为实际基横模激光器光束整形装置中的方形小孔光阑的宽度，根据所述实际整形目标光斑图样所对应的等效衍射距离设置4-f成像单元中物面的位置，以所述实际整形目标光斑图样所对应的等效腰斑半径设置基横模激光器的光束的腰斑半径。

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