CN103513426A - 一种优化光束质量提升激光加工效率的方法 - Google Patents

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侯丽华
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一种优化光束质量提升激光加工效率的方法，涉及光学系统和激光加工系统的技术应用领域，其特征在于：对Nd:YAG激光器的光束从两个方面进行优化整形，A采用伽利略型非球面镜组的整形系统将呈高斯分布的圆形激光光斑优化整形为呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑；B将步骤A中呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑通过光斑变换器件，所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑在所述光斑变换器件的作用下转换为呈超高斯平顶分布的线光斑；由此得到的激光束的能量分布均匀，激光束的质量得到优化，提高了激光的能量转换效率。本发明的优点：工艺方法简单，两组装置都是用各种镜片组成，成本低，功耗小，且易于实现。

Description

一种优化光束质量提升激光加工效率的方法
技术领域
本发明涉及光学系统和激光加工系统的技术应用领域，特指一种优化激光光束质量的新方法，适用于高功率激光加工系统中。
背景技术
通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即高斯光束。在激光加工领域中，高斯光束的强度过于集中在中心部分，能量非均匀分布特性将会导致局部温度升高而破坏材料特性。因此，激光光束的能量分布不均匀特性限制了其在加工领域的应用，很多场合可以将高斯光束转化为能量均匀分布的平顶光束，以消除不良影响。
随着生产的发展，对大功率激光加工技术不断地提出了新的要求，在某些特定条件下需要不同形状的激光光斑。在激光加工技术中，过去光束经过聚焦以后再进行扫描，这样每扫描一次的光束宽度有限，工作效率不高；而且由于两次扫描线有搭接，产生了“搭接效应”，搭接部分的硬度低于不搭接的部分；此外由于光束的中央部分的能量高于四周，影响了加工质量。为了克服以上缺点，比较有效的方法是把激光器输出的圆形光斑变换为均匀光强分布的线光斑(矩形光斑)，这样就可以大大提高工作效率，并取得较好的结果。
专利号为CN 202434878 U的中国专利公开了一种大功率高光束质量的激光器，它包括泵浦光源、光学谐振腔、声光调Q开关、热沉、风扇和钇铝石榴石晶体介质（Nd：YAG）。该激光器改变了Nd：YAG介质的外形，抑制在振荡过程中产生的高阶膜，提高光束质量，增加激光准直程度。同时增加声光调Q开关，使得功率提升。专利号为CN 101034878 A的中国专利公开了一种用于提高输出光束质量的脉冲激光器，该激光器包括泵浦源、激光增益介质、可饱和吸收器件、腔镜。通过改变可饱和吸收器件沿径向的损耗，可有效地抑制高阶横模，提高光束质量。具有简单有效、工作稳定可靠的优点。但是这两个专利都没有从根本上解决激光光束质量差、激光能量分布不均的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决普通激光光束能量分布不均匀，激光光束质量差造成在激光加工中因材料的局部温度升高过快而破坏材料自身特性的技术难题，提供一种优化激光光束质量的新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种优化激光光束质量的新方法，包含如下步骤：
A 采用伽利略型非球面镜组的整形系统将呈高斯分布的圆形激光光斑优化整形为呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑；所述伽利略型非球面镜组的整形系统是在伽利略型非球面镜组的前端增设一组可变倍扩束镜组；用来实现将高斯激光光束的束腰半径满足所述伽利略型非球面镜组所要求的输入高斯光束的束腰半径；在伽利略型非球面镜组的后端依次增设一组定倍扩束镜组A和一组定倍扩束镜组B；所述定倍扩束镜组A倒置在所述伽利略型非球面镜组的后端，用来实现对所述伽利略型非球面镜组输出的超高斯平顶光束进行扩束，所述定倍扩束镜组B正置在所述定倍扩束镜组A后端，用来实现对所述定倍扩束镜组A输出的超高斯平顶光束进行缩束；
B 将步骤A中呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑通过光斑变换器件，所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑在所述光斑变换器件的作用下转换为呈超高斯平顶分布的线光斑；所述光斑变换器件包括能够将激光的偏振态转过90度的半波片、第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜和第二柱透镜并列平行放置在所述半波片后端。
上述方案中，所述可变倍扩束镜组依次由第一平凸镜1、平凹镜2和第二平凸镜3组成；其具体变倍过程为：固定所述平凹镜2不动，调整所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3，使通过所述可变倍扩束镜组的高斯激光光束的束腰半径与所述伽利略型非球面镜组所要求的输入高斯光束的束腰半径相等。
上述方案中，所述第一平凸镜1与所述平凹镜2之间的距离d12，所述平凹镜2与所述第二平凸镜3之间的距离d23的调整由如下公式决定：
Figure 2013104696953100002DEST_PATH_IMAGE001
Figure 896659DEST_PATH_IMAGE002
  ①  
Figure 47279DEST_PATH_IMAGE001
Figure 2013104696953100002DEST_PATH_IMAGE003
Figure 332767DEST_PATH_IMAGE001
②
上式中，、
Figure 2013104696953100002DEST_PATH_IMAGE005
为正值时表示所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3向右移动，、
Figure 554167DEST_PATH_IMAGE005
为负值时表示所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3向左移动；
Figure 326951DEST_PATH_IMAGE006
、为所述第一平凸镜1的焦距，取正值；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为所述平凹镜21的焦距，取负值；
Figure 756402DEST_PATH_IMAGE008
为所述第二平凸镜3的焦距，取正值。
上述方案中，所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑射入所述光斑变换器件时，所述圆形激光光斑一部分通过所述半波片，根据所述所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑的偏振态，调整所述半波片光轴的位置，使得通过所述半波片的圆形激光光斑偏振态转过90度；另一部分圆形激光光斑不经过所述半波片。这样，两部分圆形激光光斑在所述半波片之后的相干性极大减弱,两部分圆形激光光斑最后分别依次进入所述第一柱透镜和所述第二柱透镜变换成两个线光斑，由于所述第一柱透镜和所述第二柱透镜并列平行放置，两个线光斑又重合成一个线光斑。
本发明的技术效果：通过伽利略型的非球面镜组的整形系统将高斯光束优化整形为超高斯平顶分布，再利用光斑变换器将平顶光束的圆形光斑变换为均匀光强分布的线光斑，由此得到的激光束的能量分布均匀，激光束的质量得到优化，提高了激光的能量转换效率。本发明的优点：工艺方法简单，两组装置都是用各种镜片组成，成本低，功耗小，且易于实现。
说明书附图
图1是高斯光束整形为平顶分布的整形原理示意图。
图2是圆形光斑变换为线光斑的光路结构示意图。
图3是本发明的技术路线图。
    图4是本发明中实施例的结果示意图。
具体实施方式
现结合附图，以Nd：YAG激光器发出的功率密度为1.54GW/cm2，波长为1.06μm，光斑直径为6mm的激光为例，对本发明的技术方案进行更加详细的说明。
首先通过伽利略型的非球面镜组的整形系统将其由高斯光束优化整形为超高斯平顶分布，其整形流程如图1所示。所述伽利略型非球面镜组的整形系统包含一个伽利略型非球面镜组，所述伽利略型非球面镜组由一片平凹非球面镜4与一片平凸非球面镜5组成，入射光束经过平凹非球面镜4的调制后得到强度均匀分布的光束，平凸非球面镜5的作用是保证均匀光束平行出射。在伽利略型非球面镜组的前端增设一组可变倍扩束镜组；所述可变倍扩束镜组依次由第一平凸镜1、平凹镜2和第二平凸镜3组成；其具体变倍过程为：固定所述平凹镜2不动，调整所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3，使通过所述可变倍扩束镜组的高斯激光光束的束腰半径与所述伽利略型非球面镜组所要求的输入高斯光束的束腰半径相等；由于输出的平顶光束发散角大，衍射明显，平顶光束在传播一段距离后，光束质量会迅速变差，均匀性下降明显。因此，为了保持光束的均匀性，
在伽利略型非球面镜组的后端依次增设一组定倍扩束镜组A和一组定倍扩束镜组B；所述定倍扩束镜组A依次由一片凹透镜6和一片凸透镜7组成，所述定倍扩束镜组B依次由一片凸透镜8和一片凹透镜9组成。所述定倍扩束镜组A倒置在所述伽利略型非球面镜组的后端，用来实现对所述伽利略型非球面镜组输出的超高斯平顶光束进行扩束，所述定倍扩束镜组B正置在所述定倍扩束镜组A后端，用来实现对所述定倍扩束镜组A输出的超高斯平顶光束进行缩束。根据实际应用中对光束质量的要求,可以适当选择扩束镜组 A 与扩束镜组 B 之间的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，调整依据是传播距离越远,光束质量会变得越差，即可得到所要求的超高斯平顶光束。
本实施例中的光斑变换器在结构上包括有一个半波片11、一个第一柱透镜12和第二柱透镜13，如图2所示，圆形光斑的激光束10射入该特种光斑变换器内，其中该光斑的一部分通过半波片11,根据该光束的偏振态与半波片光轴的相互位置的调整,使得这部分光的偏振态正好转过90度，而另一部分光斑不经过半波片11。因此这两部分光束在半波片之后的相干性极大减弱, 通过半波片11的光束进入所述第一柱透镜12，不经过半波片11的光束直接进入第二柱透镜13，两部分光束分别通过第一柱透镜12和第二柱透镜13变换成两个线光斑。又因为第一柱透镜12和第二柱透镜13并列平行放置，使得两个线光斑重合成一个线光斑。具体的，假设图2中的光束10的偏振方向平行于纸面，在光斑变换器中，半波片11为相关激光波长的半波片，通过调整激光光束偏振方向与半波片光轴方向,可以使该入射光束的偏振态转动90度。光束10的一部分垂直通过半波片11后,光偏振方向转动了90°,即垂直于纸面,该部分光束用101表示；光束10的另一部分不通过半波片11,其光偏振态保持原来不变,即仍然平行于纸面,该部分光束用102表示。第一柱透镜12和第二柱透镜13二者并列平行放置,光束101入射至第一柱透镜12中转换成线光斑射出,光束102入射至第二柱透镜13中转换成线光斑射出,两束射出的线光斑一端重叠，最终仍然合成一个线光斑。由于两个线光斑的偏振方向正好是正交的，因此不会产生干涉效应，也就不存在干涉条纹现象。
实施例中的激光束通过伽利略型非球面镜组整形系统和光斑变换器件的优化整形后，就实现了将高斯光束整形为超高斯平顶分布，圆形光斑变换为均匀光强分布的线光斑，如图4所示。这种经过优化的高质量激光光束，能够有效提高在激光加工应用领域中激光的能量转换效率，具有十分巨大的经济效益。

Claims (4)

1.一种优化激光光束质量的方法，包含如下步骤：
A 采用伽利略型非球面镜组的整形系统将呈高斯分布的圆形激光光斑优化整形为呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑；所述伽利略型非球面镜组的整形系统是在伽利略型非球面镜组的前端增设一组可变倍扩束镜组；用来实现将高斯激光光束的束腰半径满足所述伽利略型非球面镜组所要求的输入高斯光束的束腰半径；在伽利略型非球面镜组的后端依次增设一组定倍扩束镜组A和一组定倍扩束镜组B；所述定倍扩束镜组A倒置在所述伽利略型非球面镜组的后端，用来实现对所述伽利略型非球面镜组输出的超高斯平顶光束进行扩束，所述定倍扩束镜组B正置在所述定倍扩束镜组A后端，用来实现对所述定倍扩束镜组A输出的超高斯平顶光束进行缩束；
B 将步骤A中呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑通过光斑变换器件，所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑在所述光斑变换器件的作用下转换为呈超高斯平顶分布的线光斑；所述光斑变换器件包括能够将激光的偏振态转过90度的半波片、第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜和第二柱透镜并列平行放置在所述半波片后端。
2.根据权利要求1所述的一种优化激光光束质量的方法，其特征在于，所述可变倍扩束镜组依次由第一平凸镜（1）、平凹镜（2）和第二平凸镜（3）组成；其具体变倍过程为：固定所述平凹镜（2）不动，调整所述第一平凸镜（1）与所述第二平凸镜（3），使通过所述可变倍扩束镜组的高斯激光光束的束腰半径与所述伽利略型非球面镜组所要求的输入高斯光束的束腰半径相等。
3.根据权利要求2所述的一种优化激光光束质量的方法，其特征在于，所述第一平凸镜（1）与所述平凹镜（2）之间的距离d12，所述平凹镜（2）与所述第二平凸镜（3）之间的距离d23的调整由如下公式决定：
Figure 2013104696953100001DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2013104696953100001DEST_PATH_IMAGE004
  ①  
Figure 765988DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2013104696953100001DEST_PATH_IMAGE006
Figure 214286DEST_PATH_IMAGE002
②
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为正值时表示所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3向右移动，
Figure 931707DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 481243DEST_PATH_IMAGE010
为负值时表示所述第一平凸镜1与所述第二平凸镜3向左移动；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、为所述第一平凸镜1的焦距，取正值；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为所述平凹镜21的焦距，取负值；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为所述第二平凸镜3的焦距，取正值。
4.根据权利要求1所述的一种优化激光光束质量的方法，其特征在于，所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑射入所述光斑变换器件时，所述圆形激光光斑一部分通过所述半波片，根据所述所述呈超高斯平顶分布的圆形激光光斑的偏振态，调整所述半波片光轴的位置，使得通过所述半波片的圆形激光光斑偏振态转过90度；另一部分圆形激光光斑不经过所述半波片；通过所述半波片（11）的光束进入所述第一柱透镜（12）变换成线光斑，不经过所述半波片（11）的光束直接进入所述第二柱透镜（13）变换成线光斑，由于所述第一柱透镜和所述第二柱透镜并列平行放置，所述两个线光斑重合成一个线光斑。
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