CN106646895A - 一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法，装置由激光器、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、分束镜、第三反射镜、第二透镜、工作台、第三透镜、CCD相机和电脑组成；本发明首先根据目标形状需求设计掩模图，然后将得到的掩模图加载到空间光调制器上，去除光学衍射的高阶光后，利用由第一透镜和第二透镜组成的光学4f系统将零阶光在空间光调制器近场形成的像传递到待加工表面，最后使用CCD相机进行观测；本发明不需要复杂计算，节约时间；终成像的激光束为平行光束，可在3f之后的任意位置加工，克服了景深的限制；可以有效避免衍射和干涉的影响，提高了光束质量。

Description

一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法

技术领域

本发明涉及激光应用领域，涉及一种高斯激光束整形装置及方法，更具体地说，本发明涉及一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法。

背景技术：

激光是光学史乃至整个科技发展史上具有里程碑意义的重要发明。激光加工是一种非接触加工方式，具有能量密度高、方向性好、高相干性、热影响区小等优点(参考文件：基于空间光调制器的飞秒并行加工方法研究)，使其在信息技术、材料加工、测试计量技术、生物技术以及国防工业等相关领域具有重大应用价值(参考文件：高斯光束整形技术研究)。目前国际上激光加工技术研究的一个重要特点是覆盖内容广、发展速度快。特别是在航空、航天领域，激光已经成为加工特种零件的有效手段(参考文件：光束整形及其在飞秒激光微加工领域的应用研究)。

然而，激光光束能量一般呈高斯分布,在诸如激光焊接、生物医学工程等技术领域,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积，从而破坏材料特性，影响加工效果的一致性。特别是在金属材料加工过程中，这种热累积效应会导致微裂纹、重铸层、再结晶等加工缺陷，极大的制约了激光微加工技术在航空、航天等对器件可靠性要求较高领域的应用。因此，需要将高斯光束转化为能量分布均匀的平顶光束以消除不良影响。

由于高斯光束中心区域能量分布较为均勾，所以最初采用孔径光阑法，在光束前加入孔径光阑，滤掉边缘区域能量，只保留中心区域能量分布较为均匀的光束以获得平顶光束(参考文件：F.M.Dickey and S.C.Holswade,Historical perspective of laserbeam shaping.[C].Pro.of SPIE,2002:27-47)。这种方法光路简单、易于实现且成本很低，但是激光能量利用率低，大部分能量都被遮挡，并且会伴随严重的边缘衍射效应，不利于在工程实践中广泛应用。为了解决孔径光阑法能量利用率低的问题，人们先后提出了多种能量利用率高的高斯光束整形技术,将激光光束转化为能量均匀分布的平顶光束，例如：非球面透镜法、微透镜阵列法、双折射透镜组法以及长焦深整形元件法。

非球面透镜法整形技术具有能量利用率高、耐高温、成本低等优点，但是,非球面透镜整形系统参数的设计需大量数学运算,设计结果需要带入现有的光学软件中反复校验，不利于计算机软件自动优化设计。微透镜阵列是通过先分割后叠加的方式实现整形，重叠率有所差异，光斑在局部区域分布不均匀，同时微透镜阵列之间的缝隙会产生衍射和干涉效应，降低了能量利用率。双折射透镜组法灵活方便、可随入射光的改变而改变，但是双折射晶体透镜的制作成本、加工水平制约了该方法的发展。长焦深元件制作困难、加工成本较高、加工精度差，这些因素都影响了该技术在工程领域的应用。

发明内容

为了克服现有技术中加工成本高、衍射和干涉影响大、计算复杂、灵活性差的问题，本发明提供了一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种基于空间光调制器的激光光束整形装置，其特征在于：包括激光器、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、分束镜、第三反射镜、第二透镜、工作台、第三透镜、CCD相机和电脑；所述第一透镜和所述第二透镜组成第一光学4f系统，所述第一透镜和第三透镜组成第二光学4f系统；所述激光器产生的激光依次通过所述扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜后入射到所述空间光调制器上，出射光经过所述第一透镜、光阑后入射到所述分束镜内；经所述分束镜后激光分成两部分，一部分通过第一光学4f系统把空间光调制器近场的像传递到工作台上的待加工表面，另一部分通过第二光学4f系统将整形后的光束传递到CCD相机中进行观察；所述电脑分别与所述快门、空间光调制器、CCD相机连接，用于控制所述快门、空间光调制器、CCD相机工作。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用空间光调制器的控制软件生成模拟二元光栅，在模拟的二元光栅中加入需要整形的图案形成掩模图；

步骤2：将步骤1中得到的掩模图加载到空间光调制器上；

步骤3：把激光器发出的高斯光以小于10°的入射角入射到空间光调制器上；

步骤4：将经过空间光调制器后发生衍射的高阶光用光阑去除；

步骤5：将发生反射的零阶光利用第一光学4f系统把空间光调制器近场的像传递到工作台上的待加工表面；

步骤6：使用分光镜把能量10％零阶光通过第二光学4f系统将整形后的光束传递到CCD相机中进行观察。

与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：

(1)液晶SLM操作方便、使用灵活；

(2)本发明方法使用的掩模图为二元光栅和整形图案相结合的图形，不需要复杂计算，节约时间；

(3)本发明方法利用4f成像系统，理论上最终成像的激光束为平行光束，可在3f之后的任意位置加工，克服了景深的限制；

(4)本发明方法可以有效避免衍射和干涉的影响，提高了光束质量。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构图；

图2为本发明实施例的流程图；

图3(a)(b)为本发明实施例加载到空间光调制器上的掩模图；

图4为本发明实施例的反射式二元光栅原理图；

图5(a)(b)为本发明实施例中获得的不同形态的平顶激光束光强分布图。

其中：1是激光器，2是扩束镜，3是第一反射镜，4是快门，5是第二反射镜，6是空间光调制器，7是第一透镜，8是光阑，9是分束镜，10是第三透镜，11是第三反射镜，12是第二透镜，13是工作台，14是CCD相机，15是电脑。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于空间光调制器的激光光束整形装置，包括激光器1、扩束镜2、第一反射镜3、快门4、第二反射镜5、空间光调制器6、第一透镜7、光阑8、分束镜9、第三透镜10、第三反射镜11、第二透镜12、工作台13、CCD相机14和电脑15；所述第一透镜7和所述第二透镜12组成第一光学4f系统，所述第一透镜7和第三透镜10组成第二光学4f系统；激光器1产生的激光依次通过扩束镜2、第一反射镜3、快门4、第二反射镜5后入射到空间光调制器6上，出射光经过第一透镜7、光阑8后入射到分束镜9内；经分束镜9后激光分成两部分，一部分通过第一光学4f系统把空间光调制器6近场的像传递到工作台13上的待加工表面，另一部分通过第二光学4f系统将整形后的光束传递到CCD相机14中进行观察；电脑15分别与快门4、空间光调制器6、CCD相机14连接，用于控制快门4、空间光调制器6、CCD相机14工作。

本实施例由电脑15控制掩模图的自动切换，并且与激光的重复频率和工作台的运动配合，实现高速、任意形态的加工。

请见图2，本发明提供的一种基于空间光调制器的激光光束整形方法，包括以下步骤：

步骤1，首先利用空间光调制器SLM(以下简称“SLM”)6的控制软件生成模拟二元光栅，再利用画图软件在模拟的二元光栅中加入需要整形的图案后，得到如图3所示的掩模图。调节整形区域图形灰度值为0，二元光栅灰度值分别为0、105；

步骤2，将步骤一中得到的掩模图加载到SLM6上，移动掩模图位置，使图形中心与激光光斑中心重合。本实施例采用的SLM6为Hamamatsu生产的纯相位空间光调制器，型号为X10468-02，帧速率为60Hz；

步骤3，激光器1产生的高斯光束能量经过衰减后，以小于10°的入射角度入射到SLM6上，入射的高斯光束照射到光栅部分会发生衍射，照射到灰度值为0的整形图形部分会发生全反射，其原理如图4所示。本实施例采用的激光器1脉宽为100fs，单脉冲能量为25μJ，重复频率为10kHz；

步骤4，使用孔径光阑8将发生衍射的高阶光去除，只保留发生全反射的零阶光，用于加工；所述孔径光阑大小可调，调控范围为1～12mm；

步骤5，利用光学4f成像原理，使用第一透镜7和第二透镜12组成第一光学4f成像系统，将零阶光在SLM6近场形成的像传递到待加工表面。成像大小可根据掩模图中整形区域图形大小和第一光学4f成像系统中透镜焦距来调节。本实例中第一透镜7焦距为1000mm，第二透镜12焦距为30mm；第一透镜7位于SLM6后1000mm处，第二透镜12位于第一透镜7后1030mm处。第一光学4f成像系统最终成像为平行的平顶光；

步骤6，为了检测整形后光斑能量分布，在第一透镜7后950mm处加入分束镜9，分出来的光经过由第一透镜7和第三透镜10组成的第二光学4f系统后最终的成像入射到CCD相机14中，用于观测整形之后的光束，检测结果如图5(a)(b)所示。分束镜9能量透射率为90％，反射率为10％；经过分光镜的光源为去除高阶光后的零阶光；第一透镜7和第三透镜10，焦距都为1000mm；第三透镜10位于第一透镜7后2000mm处；CCD相机位于第三透镜10后任意位置；检测结果图5(a)(b)分别为整形得到的平顶方形与圆环。

尽管本说明书较多地使用了激光器1、扩束镜2、第一反射镜3、快门4、第二反射镜5、空间光调制器6、第一透镜7、光阑8、分束镜9、第三透镜10、第三反射镜11、第二透镜12、工作台13、CCD相机14和电脑15等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于空间光调制器的激光光束整形装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜(2)、第一反射镜(3)、快门(4)、第二反射镜(5)、空间光调制器(6)、第一透镜(7)、光阑(8)、分束镜(9)、第三透镜(10)、第三反射镜(11)、第二透镜(12)、工作台(13)、CCD相机(14)和电脑(15)；所述第一透镜(7)和所述第二透镜(12)组成第一光学4f系统，所述第一透镜(7)和第三透镜(10)组成第二光学4f系统；所述激光器(1)产生的激光依次通过所述扩束镜(2)、第一反射镜(3)、快门(4)、第二反射镜(5)后入射到所述空间光调制器(6)上，出射光经过所述第一透镜(7)、光阑(8)后入射到所述分束镜(9)内；经所述分束镜(9)后激光分成两部分，一部分通过第一光学4f系统把空间光调制器(6)近场的像传递到工作台(13)上的待加工表面，另一部分通过第二光学4f系统将整形后的光束传递到CCD相机(14)中进行观察；所述电脑(15)分别与所述快门(4)、空间光调制器(6)、CCD相机(14)连接，用于控制所述快门(4)、空间光调制器(6)、CCD相机(14)工作。

2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的激光光束整形装置，其特征在于：所述空间光调制器(6)灰度调制范围为0～255，能通过调节加载到空间光调制器(6)上掩模图的灰度值来控制出射光的振幅和相位。

3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的激光光束整形装置，其特征在于：所述光阑(8)为孔径大小可调的光阑，调控范围为1～12mm。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于空间光调制器的激光光束整形装置，其特征在于：所述分束镜(9)能量透射率为90％，反射率为10％。

5.一种基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用空间光调制器(6)的控制软件生成模拟二元光栅，在模拟的二元光栅中加入需要整形的图案形成掩模图；

步骤2：将步骤1中得到的掩模图加载到空间光调制器(6)上；

步骤3：把激光器(1)发出的高斯光以小于10°的入射角入射到空间光调制器(6)上；

步骤4：将经过空间光调制器(6)后发生衍射的高阶光用光阑(8)去除；

步骤5：将发生反射的零阶光利用第一光学4f系统把空间光调制器(6)近场的像传递到工作台(13)上的待加工表面；

步骤6：使用分光镜把能量10％零阶光通过第二光学4f系统将整形后的光束传递到CCD相机(14)中进行观察。

6.根据权利要求5所述的基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于，步骤1中所述掩模图由两部分组成，中间区域为目标需求的形状，可以为任意形状，其余部分为二元光栅。

7.根据权利要求5或6所述的基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于，步骤1中所述的二元光栅是利用两种不同的灰度等级产生π相位差，形成二元光栅。

8.根据权利要求5或6所述的基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于：步骤3中二元光栅的光栅周期为160μm。

9.根据权利要求5所述的基于空间光调制器的激光光束整形方法，其特征在于，步骤5中所述第一光学4f系统中所述第一透镜(7)焦距f₁大于所述第二透镜(12)焦距f₂，零阶光在所述空间光调制器(6)近场形成的像经过所述第一光学4f系统后会在待加工表面形成缩小的像，缩小比例M＝f₁/f₂。