CN105372818A - 用于发散激光束的光束整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整形方法，尤其是一种用于发散激光束的光束整形方法，属于激光束整形的技术领域。本发明利用平行激光束对初始自由曲面透镜的自由曲面进行设计，发散激光束通过初始自由曲面透镜，利用蒙特卡罗光线追迹方法确定目标面能量分布，通过目标面能量分布与目标面预期能量分布比较，并对输入面能量网格或目标面网格进行调整，以对自由曲面透镜的自由曲面进行调整；当目标面实际能量分布与目标面预期能量分布一致，能确定光束整形自由曲面透镜，利用光束整形自由曲面透镜能实现对具有相同光强分布的发散激光束进行有效整形，确保带有发散角激光束能在目标面上产生均匀的能量分布，可以应用于精密加工，高精度要求的材料处理等。

Description

用于发散激光束的光束整形方法

技术领域

本发明涉及一种整形方法，尤其是一种用于发散激光束的光束整形方法，属于激光束整形的技术领域。

背景技术

激光因其相干性、单色性、方向性好及亮度高等诸多优点已被广泛应用于光刻、材料加工以及平板印刷等重要领域。激光器直接输出的激光光束，大多数情况下，激光光束能量为高斯分布。如若直接应用这种输出光束进行材料加工，将导致局部温度过高而损坏材料。因此，需对激光光束进行整形，将其转化为能量均匀分布的光束以消除不良影响。

已有的激光光束整形方法主要有液晶空间光调制器、非球面透镜组、微透镜阵列、二元光学元件法、双折射透镜组以及自由曲面透镜等。这些方法都是针对平行的激光光束进行整形，也就是激光光束没有发散的情况。然而实际激光器输出的激光光束，都带有一定的发散角，用现有的整形方法，对带有发散角的激光光束整形，整形效果不佳。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于发散激光束的光束整形方法，其能对带有发散角的激光束进行有效整形，确保带有发散角激光束在工业应用的稳定性以及可靠性。

按照本发明提供的技术方案，一种用于发散激光束的光束整形方法，所述光束整形方法包括如下步骤：

a、提供与待整形发散激光束具有相同光强分布的平行激光束，并对所述平行激光束的输入面进行能量网格划分，控制平行激光束的输入面内每个网格的能量相等，以确定输入面内每个能量网格的面积，得到所需的输入面能量网格；

b、确定所述待整形发散激光束要打到的目标面，并根据输入面能量网格的数量对所述目标面进行等面积的网格划分，以得到所需的目标面网格，目标面的目标面网格数量与输入面的输入面能量网格相一致；

c、提供初始自由曲面透镜，并将划分上述输入面能量网格的平行激光束入射到自由曲面透镜的平面，且使得每个输入面能量网格的激光束通过自由曲面透镜打到目标面相对应的目标面网格内，利用光的折射定律以及边缘光线理论，确定所述初始自由曲面透镜的自由曲面上的各采样点位置坐标，以得到自由曲面透镜的初始自由曲面；

d、将待整形的发散激光束通过上述得到初始自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗光线追迹的方法确定目标面的能量分布图；

e、将得到的目标面的能量分布与目标面预期能量分布进行对比，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布不一致时，则确定反馈系数η，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布一致，则调整步骤g；

所述反馈系数η为

${\mathrm{\η}}_{i,j}=\frac{E_{i,j}}{\stackrel{\‾}{E}},$ i＝1，2，ΛM，j＝1，2，ΛN；

其中，E为目标面上目标面网格内的能量矩阵，E_i，j为目标面上第i行第j列的目标面网格的能量，为目标面上所有目标面网格的能量均值，M为目标面上目标面网格的行数，N为目标面上目标面网格的列数，M×N为目标面上目标面网格的数量；利用所述反馈系数η调整输入面能量网格的面积或目标面网格的面积，并根据所述调整后的输入面能量网格或目标面网格重新确定自由曲面透镜的自由曲面上各采样点的位置坐标，以得到自由曲面透镜的调整自由曲面；

f、对于调整后的输入面能量网格或目标面网格，将待整形的发散激光束通过得到调整自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗的方法确定目标面的能量分布图，并跳转步骤e；

步骤g、将目标面的能量分布与目标面预期能量分布一致的自由曲面透镜确定为最终光束整形自由曲面透镜，利用所述光束整形自由曲面透镜对上述的发散激光束进行光束整形，以使得发散激光束经光束整形自由曲面透镜后能在目标面上得到均匀分布的能量。

所述步骤e中，利用反馈系数η调整输入面能量网格的面积时，将每个输入面能量网格的面积与所述反馈系数η相乘，以得到调整后的输入面能量网格；利用反馈系数调整目标面网格的面积时，将每个目标面网格的面积除以所述反馈系数η，以得到调整后目标面网格。

本发明的优点：利用平行激光束对初始自由曲面透镜的自由曲面进行位置坐标的标定，发散激光束通过初始自由曲面透镜，利用蒙特卡罗光线追迹方法确定目标面能量分布，通过目标面能量分布与目标面预期能量分布比较，并对输入面能量网格或目标面网格进行调整，以对自由曲面透镜的调整自由曲面；当目标面能量分布与目标面预期能量分布一致四，能确定光束整形自由曲面透镜，利用光束整形自由曲面透镜能实现对具有相同光强分布的发散激光束进行有效整形，确保带有发散角激光束在工业应用的稳定性以及可靠性。

附图说明

图1为平行激光束的示意图。

图2为发散激光束的示意图。

图3为本发明输入面能量网格以及目标面网格的划分示意图。

图4为本发明自由曲面透镜的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了能对带有发散角的激光束进行有效整形，确保带有发散角激光束在工业应用的稳定性以及可靠性，本发明的光束整形方法包括如下步骤：

a、提供与待整形发散激光束具有相同光强分布的平行激光束，并对所述平行激光束的输入面进行能量网格划分，控制平行激光束的输入面内每个网格的能量相等，以确定输入面内每个能量网格的面积，得到所需的输入面能量网格；

具体地，平行激光束的发散角为0度，即没有发散，平行光束只是一种理想的光束，激光器输出的激光束都是带有一定的发散角，如图1和图2所示。平行激光束与待整形的发散激光束具有相同的光强分布；对于待整形的发散激光束以及与所述发散激光束相对应的平行激光束而言，激光束的光强为确定已知。将平行激光束的光束截面上，依照能量均匀分布的原则划分成M×N份，即将输入面的输入面能量网格数量为M×N个，输入面能量网格呈阵列排布。由于平行激光束的光强分布已知，控制每个输入面能量网格内的能量相等，即可确定每个输入面能量网格的面积，完成对平行激光束输入面的能量网格划分。具体实施时，输入面能量网格的划分数量可以根据需要进行确定，在平行激光束光强分布已知情况下，控制每个输入面能量网格的能量相等，获得每个输入面能量网格面积的过程可以采用本技术领域常用的技术手段，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

b、确定所述待整形发散激光束要打到的目标面，并根据输入面能量网格的数量对所述目标面进行等面积的网格划分，以得到所需的目标面网格，目标面的目标面网格数量与输入面的输入面能量网格相一致；

本发明实施例中，目标面即为利用激光束进行工业加工等的表面，利用发散激光束能实现多目标面的工业加工等操作要求。对于确定的目标面，目标面的面积相应地确定。当平行激光束的输入面划分M×N个输入面能量网格后，目标面上的目标面网格的数量也随之被确定为M×N个。根据等面积划分的原则，得实现对目标面的网格划分。如图3所示，为平行激光束的输入面、目标面的划分示意图，图3中左边为输入面的输入面能量网格划分示意图，图3中的右边为目标面对应的目标面网格划分示意图。

c、提供初始自由曲面透镜，并将划分上述输入面能量网格的平行激光束入射到自由曲面透镜的平面，且使得每个输入面能量网格的激光束通过自由曲面透镜打到目标面相对应的目标面网格内，利用光的折射定律以及边缘光线方法，确定所述初始自由曲面透镜的自由曲面上各采样点的位置坐标，以得到自由曲面透镜的初始自由曲面；

本发明实施例中，利用自由曲面透镜能实现对激光束的整形，但现有的自由曲面透镜不能与对应光强分布以及相应发散角的激光束进行有效整形。自由曲面透镜具有两个面，一个面为平面，主要用于接收激光束，一个面为自由曲面，自由曲面透镜对接收的激光束整形后经自由曲面射出，并最终打到目标面上。

平行激光束经过初始自由曲面透镜打到目标面内时，每个输入面能量网格的光束打到目标面上相对应的目标面网格内；由于输入面能量网格的数量与目标面网格的数量相一致，因此，经过初始自由曲面透镜能完成上述一一对应的映射，如图4所示。根据光的折射定律以及边缘光线方法，能确定自由曲面的位置坐标，具体确定自由曲面位置坐标的过程可以采用本技术领域常用的技术手段，具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

d、将待整形的发散激光束通过上述得到初始自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗光线追迹的方法确定目标面的能量分布图；

本发明实施例中，利用蒙特卡罗光线追迹的方法确定目标面的能量分布图为本技术领域常用的技术手段，具体不再赘述。由于所述自由曲面透镜是为平行激光束进行整形，当对发散激光束进行整形时，目标面上的能量分布均匀度势必会下降。

e、将得到的目标面的能量分布与目标面预期能量分布进行对比，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布不一致时，则确定反馈系数η，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布一致，则调整步骤g；

所述反馈系数η为

${\mathrm{\η}}_{i,j}=\frac{E_{i,j}}{\stackrel{\‾}{E}},$ i＝1，2，ΛM，j＝1，2，ΛN；

其中，E为目标面上目标面网格内的能量矩阵，E_i，j为目标面上第i行第j列的目标面网格的能量，为目标面上所有目标面网格的能量均值，M为目标面上目标面网格的行数，N为目标面上目标面网格的列数，M×N为目标面上目标面网格的数量；利用所述反馈系数η调整输入面能量网格的面积或目标面网格的面积，并根据所述调整后的输入面能量网格或目标面网格重新确定自由曲面透镜的自由曲面各采样点的位置坐标，以得到自由曲面透镜的调整自由曲面；

本发明实施例中，对于确定的目标面，目标面进行加工等时的目标面预期能量分布为确定的，在满足目标面预期能量分布时，能较好地实现对目标面的加工。在得到目标面的能量分布后，即确定每个目标面网格的能量值，同时，能确定整个目标面所有目标面网格的能量均值。

利用反馈系数η调整输入面能量网格的面积时，将每个输入面能量网格的面积与所述反馈系数η相乘，以得到调整后的输入面能量网格；利用反馈系数调整目标面网格的面积时，将每个目标面网格的面积除以所述反馈系数η，以得到调整后目标面网格。

根据所述调整后的输入面能量网格或目标面网格重新确定自由曲面透镜的自由曲面各采样点的位置坐标，以得到自由曲面透镜的调整自由曲面的过程可以参考上述的说明。

f、对于调整后的输入面能量网格或目标面网格，将待整形的发散激光束通过得到调整自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗的方法确定目标面的能量分布图，并跳转步骤e；

本发明实施例中，只需进行输入面能量网格调整或目标面网格调整的方式。在得到调整自由曲面的自由曲面透镜后，再次将发散激光束通过所述自由曲面透镜进行整形，并利用蒙特卡罗光线追迹的方法确定目标面的能量分布，并重复上述过程，直至使得目标面的能量分布于目标面预期能量分布一致。

步骤g、将目标面的能量分布与目标面预期能量分布一致的自由曲面透镜确定为光束整形自由曲面透镜，利用所述光束整形自由曲面透镜对上述的发散激光束进行光束整形，以使得发散激光束经光束整形自由曲面透镜后能在目标面上得到均匀分布的能量。

本发明实施例中，在确定调整自由曲面上的各采样点位置坐标后，即能得到确定的自由曲面透镜。在对目标面进行加工时，能实现对发散激光束进行有效的整形。在具体实施时，目标面的能量分布于目标面预期能量分布一致包括目标面能量分布与目标面预期能量分布完全一致或目标面能量分布于目标面预期能量分布间的误差在允许的范围内，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

本发明利用平行激光束对初始自由曲面透镜的自由曲面上各采样点位置坐标的标定，发散激光束通过初始自由曲面透镜，利用蒙特卡罗光线追迹方法确定目标面能量分布，通过目标面能量分布与目标面预期能量分布比较，并对输入面能量网格或目标面网格进行调整，以对自由曲面透镜的调整自由曲面；当目标面能量分布与目标面预期能量分布一致四，能确定光束整形自由曲面透镜，利用光束整形自由曲面透镜能实现对具有相同光强分布的发散激光束进行有效整形，确保带有发散角激光束在工业应用的稳定性以及可靠性。

Claims (2)

1.一种用于发散激光束的光束整形方法，其特征是，所述光束整形方法包括如下步骤：

(a)、提供与待整形发散激光束具有相同光强分布的平行激光束，并对所述平行激光束的输入面进行能量网格划分，控制平行激光束的输入面内每个网格的能量相等，以确定输入面内每个能量网格的面积，得到所需的输入面能量网格；

(b)、确定所述待整形发散激光束要打到的目标面，并根据输入面能量网格的数量对所述目标面进行等面积的网格划分，以得到所需的目标面网格，目标面的目标面网格数量与输入面的输入面能量网格相一致；

(c)、提供初始自由曲面透镜，并将划分上述输入面能量网格的平行激光束入射到自由曲面透镜的平面，且使得每个输入面能量网格的激光束通过自由曲面透镜打到目标面相对应的目标面网格内，利用光的折射定律以及边缘光线理论，确定所述初始自由曲面透镜的自由曲面上的各采样点位置坐标，以得到自由曲面透镜的初始自由曲面；

(d)、将待整形的发散激光束通过上述得到初始自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗光线追迹的方法确定目标面的能量分布图；

(e)、将得到的目标面的能量分布与目标面预期能量分布进行对比，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布不一致时，则确定反馈系数η，若目标面的能量分布于目标面预期能量分布一致，则调整步骤(g)；

所述反馈系数η为

${\mathrm{\η}}_{i,j}=\frac{E_{i,j}}{\stackrel{\‾}{E}},i=1,2,\mathrm{\Λ}M,j=1,2,\mathrm{\Λ}N;$

其中，E为目标面上目标面网格内的能量矩阵，E_i，j为目标面上第i行第j列的目标面网格的能量，为目标面上所有目标面网格的能量均值，M为目标面上目标面网格的行数，N为目标面上目标面网格的列数，M×N为目标面上目标面网格的数量；利用所述反馈系数η调整输入面能量网格的面积或目标面网格的面积，并根据所述调整后的输入面能量网格或目标面网格重新确定自由曲面透镜的自由曲面上各采样点的位置坐标，以得到自由曲面透镜的调整自由曲面；

(f)、对于调整后的输入面能量网格或目标面网格，将待整形的发散激光束通过得到调整自由曲面的自由曲面透镜打到目标面上，通过蒙特卡罗的方法确定目标面的能量分布图，并跳转步骤(e)；

步骤(g)、将目标面的能量分布与目标面预期能量分布一致的自由曲面透镜确定为最终光束整形自由曲面透镜，利用所述光束整形自由曲面透镜对上述的发散激光束进行光束整形，以使得发散激光束经光束整形自由曲面透镜后能在目标面上得到均匀分布的能量。

2.根据权利要求1所述的用于发散激光束的光束整形方法，其特征是：所述步骤(e)中，利用反馈系数η调整输入面能量网格的面积时，将每个输入面能量网格的面积与所述反馈系数η相乘，以得到调整后的输入面能量网格；利用反馈系数调整目标面网格的面积时，将每个目标面网格的面积除以所述反馈系数η，以得到调整后目标面网格。