CN106940481B - 一种反射式激光光束整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式激光光束整形装置，包括相位调制镜、光阑，光阑位于相位调制镜输出第一激光的焦点处，相位调制镜用于对入射激光进行相位调制处理后再进行聚焦处理输出第一激光，第一激光的中心主峰的相位与第一激光的次级小峰的相位相同；光阑对第一激光的模式进行筛选，使其中心主峰能够通过，而次级小峰被滤过。该装置还包括准直镜，准直镜用于对通过光阑的主峰光束的发散角进行压缩，得到发散角小、模式单一的激光光束。本发明提供的反射式激光光束整形装置，具有结构简单、调节方便的特点，且经过整形后激光具有高功率和高质量，可应用于激光切割、焊接、熔覆、打孔等多种激光加工工艺。

Description

一种反射式激光光束整形装置

技术领域

本发明属于激光光束整形技术领域，更具体地，涉及一种反射式激光光束整形装置。

背景技术

激光的优点在于良好的方向性、单色性和相干性。在激光应用的许多场合，例如激光打孔、焊接、切割以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光输出模式为基模的同时获得高功率的输出光。传统选模技术(如使用孔径光阑)可以使激光器输出的光束质量提高，但使用孔径光阑在很大程度上限制了模体积，增加了功率损耗，这就限制了输出光的功率。

高功率激光器件设计的关键是在如何保证高光束质量的同时，获得尽可能高的输出功率。对于大增益区激光器，如高功率横流CO₂激光器，当使用单折的球面镜稳定腔时，其优势是可以获得高功率的激光输出，不足的是输出的激光模式是高阶模，光束质量M²因子较大，一般只能用于激光淬火、激光熔覆等表面处理的加工工艺中。当激光器使用小孔光阑选模或使用折叠腔时，可以获得低阶模或准基模的输出，但这样却在很大程度上减少了模体积，从而使得激光输出功率大大降低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种反射式激光光束整形装置，旨在解决现有激光光束整形装置直接用小孔光阑进行整形导致激光输出功率低且激光质量不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种反射式激光光束整形装置，包括：

相位调制镜，用于对入射激光进行相位调制处理后再进行聚焦处理输出第一激光，第一激光的中心主峰的相位与第一激光的次级小峰的相位相同；

光阑，其位于相位调制镜的焦点处，其孔径与第一激光的中心主峰的宽度相同，用于对第一激光进行过滤处理，输出过滤后激光，过滤后激光中仅存在中心主峰。

本发明提供的反射式激光光束整形装置，由相位调制镜对入射激光进行相位调制处理和聚焦处理，经过相位调制处理后激光的中心主峰相位与次级小峰相位相同，使得激光功率分布均匀，经过相位调制处理后激光再次进行聚焦处理，使得第一激光的中心主峰幅值增大。经过第一激光进入光阑，光阑孔径与第一激光的中心主峰宽度相同，保留第一激光的中心主峰，因此，由光阑输出激光功率和光束质量均有提高。

优选地，相位调制镜设有相间排列的多个凹反射面和多个凸反射面；凹反射面用于接收并反射入射激光的任意峰，凸反射面用于接收并反射光中任意峰；当凹反射面与凸反射面相邻时，由该凹反射面反射的入射激光的峰与由该凸反射面反射的入射激光的峰相邻；两个相邻的凸反射面与凹反射面的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍。

当入射激光射入相位调制镜后，入射激光的一个峰射入相位调制镜的凹反射面，该峰的相邻峰射入与该凹反射面相邻的凸反射面，由于凸反射面高于凹反射面，且两个相邻的凸反射面与凹反射面的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍，进而实现由相位调制镜反射的第一激光的中心主峰的相位与第一激光的次级小峰的相位相等。

优选地，相位调制镜中，入射激光与任意一个凹反射面的法线之间的夹角和入射激光与任意一个凸反射面的法线之间的夹角相等，且凹反射面与凸反射面的高度差满足公式

其中，Δ为两个相邻的凹反射面与凸反射面之间的高度差，λ为入射激光的波长，k为正整数，θ为入射激光与凹反射面的法线之间的夹角。

优选地，反射式激光光束整形装置还包括准直镜，光阑位于准直镜的焦点处，准直镜用于对过滤后激光进行准直处理，输出准直后激光，减少发散角。

优选地，准直镜为反射式准直镜。

优选地，相位调制镜和准直镜的反射面上均镀有增反膜。

优选地，相位调制镜和准直镜为抛物面镜，用于使相位调制镜输出第一激光和准直镜输出的激光不存在球差。

优选地，相位调制镜和准直镜的内部都设有环形水冷通道，通过环形水冷通道降低相位调制镜和准直镜的温度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下的增益效果：

1、本发明提供的反射式激光光束整形装置，通过对入射激光进行相位调制处理，使第一激光的中心主峰相位与次级小峰相位相同，激光功率分布均匀，并对调制后激光进行聚焦处理，提高第一激光中心主峰功率，再将第一激光通过尺寸与第一激光的中心主峰宽度相同的光阑，保留集中了激光能量的90％的中心主峰，减少了光束整形过程中能量的损耗，尽可能的保留了输出激光的能量，且输出的激光近似为基模高斯光束，可获得高能量和高质量的输出光。

2、本发明提供的反射式激光光束整形装置，由于采用反射面为高度不同的凹反射面和凸反射面的相位调制镜，由于凸反射面高于凹反射面，且两个相邻的凸反射面与凹反射面的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍，进而实现由相位调制镜反射的第一激光的中心主峰的相位与第一激光的次级小峰的相位相等，该相位调制镜结构简单，易于实现。

3、本发明提供的反射式激光光束整形装置，由于相位调制镜与准直镜均为反射式结构，所以相对于透射式激光光束整形装置，大大缩短了装置的长度。

4、本发明提供的反射式激光光束整形装置，相位调制镜和准直镜的内部都设有环形水冷通道，通过环形水冷通道降低相位调制镜和准直镜的温度，所以相对于透射式激光光束整形系统来说，能适用于高功率激光器。

5、本发明提供的反射式激光光束整形装置，可用于激光器外部对激光进行整形，从而不破坏激光器内部的整体结构，而且可以针对具体激光器的输出模式对相位调制镜的反射面进行调整，从而获得所需要的激光束；本发明提供的反射式激光光束整形装置适用范围广，同时结构简单，安装方便。

附图说明

图1为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中相位调制镜的结构示意图；其中，图2(a)为相位调制镜的立体图，图2(b)为相位调制镜的侧视图；

图3是本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中入射激光模式分布图；其中，图3(a)为入射激光振幅与位置关系的立体图，图3(b)为入射激光横截面上的振幅、相位与位置关系的二维图；

图4为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中第一激光横截面上的振幅、相位与位置关系的二维图；

图5是本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中第一激光的模式分布示意图；其中，图5(a)为第一激光振幅与位置关系的立体图，图5(b)为第一激光横截面上的振幅与位置关系的二维图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为相位调制镜，11为凸反射面，12为凹反射面，2为光阑，3为准直镜，4为环形水冷通道，51为激光束一个节线上的峰，52为激光束另一个节线上的峰。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，但并不限定于本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明目的在于在通过本发明提供的激光光束整形装置将激光器输出的高阶模激光转换为基模激光，在尽可能保证激光输出功率的前提下，大大提高了输出激光的光束质量。

本发明提供的反射式激光光束整形装置的第一实施例，包括相位调制镜以及光阑，相位调制镜对入射激光进行相位调制处理后并进行聚焦处理输出第一激光，光阑位于相位调制镜的焦点处，且光阑的孔径与第一激光的中心主峰的宽度相同。由相位调制镜对入射激光进行相位调制处理并进行聚焦处理，使经相位调制镜输出的第一激光的中心主峰相位与第一激光的次级小峰相位相同，激光能量均匀，且主峰幅值得到增加，第一激光进入光阑，光阑孔径与第一激光的中心主峰宽度相同，保留第一激光的中心主峰，进而实现在尽可能保证激光输出功率的前提下，大大提高输出激光的光束质量。

图1为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例的结构示意图，该装置包括相位调制镜1、光阑2和准直镜3。相位调制镜1的反射面上设有多个凸反射面11和多个凹反射面12，凹反射面和凸反射面的总数根据入射激光的模式来调整，入射激光模式的径向节线数目与凹反射面和凸反射面总数相等。凸反射面11与凹反射面12相间排布，凸反射面11 高于凹反射面12。一个凸反射面11用于接收位于一个节线上的峰51，一个凹反射面12用于接收位于一个节线上的峰52，当凹反射面与凸反射面相邻时，由该凹反射面反射的入射激光的峰与由该凸反射面反射的入射激光的峰相邻。光阑2位于相位调制镜1的焦点，且光阑2的孔径与经过相位调制镜输出的第一激光的中心主峰宽度相同。光阑2位于准直镜3的焦点处。在相位调制镜1和准直镜3上均设有环形水冷通道4，通过环形水冷通道4降低相位调制镜1的温度和准直镜3的温度。

图2为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中相位调制镜的结构示意图；其中，图2(a)为相位调制镜的立体图，凸反射面11 和凹反射面12均为类椭圆型环面，图2(b)为相位调制镜的侧视图；凸反射面11和凹反射面12的高度差为Δ。

入射激光可能有多种不同模式分布。以下以入射激光的一种模式分布情况为例，对本发明提供的反射式激光光束整形装置实施例进行激光整形原理进行描述；对其他模式的入射激光的整形可以在示例基础上进行调整。

图3(a)为入射激光振幅与位置关系的立体图，x轴为沿x轴方向距离光轴中心的位置，y轴为沿y轴方向距离光轴中心的位置图，z轴为归一化振幅；(b)为入射激光横截面上的振幅、相位与位置关系的二维图，横轴是距离光轴中心的位置，纵轴是归一化振幅，上方曲线代表沿横截面直径方向的振幅分布，下方数值代表沿横截面直径方向的相位分布。由图3可知，入射激光在不同位置的振幅不同，相位也不同；处于光轴上的波峰的峰值最大，为该入射激光的中心主峰，相位为0，远离光轴的波峰的峰值变小，为该入射激光的次级小峰，从左至右，相位依次为0、π、π、0。

由于采用反射面为高度不同的凹反射面和凸反射面的相位调制镜，当入射激光的中心主峰射入凸面时，位于中心主峰左边且相位为0的次级小峰射入凸面，位于中心主峰左边且相位为π的次级小峰射入凹面，位于中心主峰右边且相位为0的次级小峰射入凸面，位于中心主峰右边且相位为π的次级小峰射入凹面，由于两个相邻的凸反射面与凹反射面的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍，通过让两个相邻峰的经历的光程相差入射激光波长的整数倍，实现由相位调制镜反射的第一激光的中心主峰的相位与第一激光的次级小峰的相位相等。另外，相位调制镜对入射激光进行相位调制后进行聚焦处理，使得输出的第一激光主峰幅值增大。

图4为本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中第一激光横截面上的振幅、相位与位置关系的二维图；上方曲线代表第一激光沿横截面直径方向的振幅分布，而下方数值代表第一激光沿横截面直径方向的相位分布，可以看出，与图3(b)相比较而言，主峰振幅增大，而相位达成一致。

图5(a)为过滤后激光振幅与位置关系的立体图，x轴为沿x轴方向距离光轴中心的位置，y轴为沿y轴方向距离光轴中心的位置图，z轴为归一化振幅；图5(b)为过滤后激光横截面上的振幅与位置关系的二维图，横轴是距离光轴中心的位置，纵轴是归一化振幅。经过第一激光经过光阑过滤，由于光阑2的孔径与经过相位调制镜输出的第一激光的中心主峰宽度相同，次级小峰被光阑阻挡，中心主峰则可顺利通过光阑2的通光孔，因此，由光阑输出的过滤后激光仅保留中心主峰，没有次级小峰。

过滤后激光射入准直镜3，由准直镜3进行准直处理，输出准直后激光，准直后激光具有发散角小、模式单一且功率高的优点，可用于例如激光打孔、焊接、切割以及激光医疗等微精密加工中。

本发明提供的反射式激光光束整形装置第二实施例中，相位调制镜为采用金刚石超精车加工而成的抛物面镜，且相位调制镜上镀有增反膜，镀有增反膜可以提高第一激光的光功率，当入射激光射相位调制镜上时，入射激光与任意一个凹反射面的法线之间的夹角和入射激光与任意一个凸反射面的法线之间的夹角相等，且凹反射面与凸反射面的高度差满足如下公式时：

经过相位调制镜反射后的第一激光的中心主峰的相位与次级小峰的相位相同；即两个相邻的凸反射面与凹反射面的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍。上述公式中，Δ为两个相邻的凹反射面与凸反射面之间的高度差，λ为入射激光的波长，k为正整数，θ为入射激光与凹反射面的法线之间的夹角。

光阑位于相位调制镜的焦点处，光阑中心部位有可透光的光孔，光阑可透光的光孔孔径与第一激光中心主峰宽度相同，第一激光的中心主峰可以从光孔穿过，次级小峰则被小孔光阑滤过。准直镜3也为抛物面镜，能够使由准直镜3输出的准直后激光不存在球差，准直镜3的焦点也在小孔光阑2处，相位调制镜1的出射光经过小孔光阑2整形、汇聚后，再通过准直镜3进行准直，得到最终的输出光束。准直镜选用反射式准直镜，且准直镜3的反射面镀有增反膜，镀有增反膜可以提高准直后激光的光功率，相对于透射式激光光束整形装置，反射式激光光束整形装置，大大缩短了整体系统的长度。

输入激光通过实施例提供的这种反射式激光光束整形装置后，输出激光的模式单一，截面光斑能量分布连续，并且输出激光的发散角更小，输出光束的方向性更好。在激光器输出高功率高阶模激光的基础上，通过本发明提供的上述反射式激光光束整形装置将高阶模转换为近似基模输出；该激光光束整形装置可以在尽可能保证激光光束能量的前提下，获得更多的近似基模输出光束；并且该装置应用于激光器外，可针对具体的输出激光模式，调整其各项参数，获得实际所需要的输出光束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种反射式激光光束整形装置，其特征在于，包括：

相位调制镜(1)，用于对入射激光进行相位调制处理并进行聚焦处理输出第一激光；所述相位调制镜设有相间排列的多个凹反射面(12)和多个凸反射面(11)；所述凹反射面(12)用于接收并反射入射激光的任意峰，所述凸反射面(11)用于接收并反射入射激光的任意峰；当所述凹反射面(12)与所述凸反射面(11)相邻时，由所述凹反射面(12)反射的入射激光的峰与由所述凸反射面(11)反射的入射激光的峰相邻；两个相邻的所述凸反射面(11)与所述凹反射面(12)的高度差使入射激光中两个相邻峰的光程差为入射激光波长的整数倍，所述第一激光的中心主峰的相位与所述第一激光的次级小峰的相位相同；

光阑(2)，其位于所述相位调制镜(1)的焦点处，其孔径与所述第一激光的中心主峰的宽度相同，用于对所述第一激光进行过滤处理，输出过滤后激光，所述过滤后激光中仅存在中心主峰。

2.如权利要求1所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，所述相位调制镜(1)中，所述入射激光与任意一个凹反射面(12)的法线之间的夹角和所述入射激光与任意一个凸反射面(11)的法线之间的夹角相等，且凹反射面(12)与凸反射面(11)的高度差满足公式

其中，Δ为两个相邻的凹反射面(12)与凸反射面(11)之间的高度差，λ为入射激光的波长，k为正整数，θ为入射激光与凹反射面(12)的法线之间的夹角。

3.如权利要求1至2任一项所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，还包括准直镜(3)，所述光阑(2)位于所述准直镜(3)的焦点处，所述准直镜(3)用于对过滤后激光进行准直处理，输出准直后激光。

4.如权利要求3所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，所述准直镜(3)为反射式准直镜。

5.如权利要求3所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，所述相位调制镜(1)的反射面上和所述准直镜(3)的反射面上均镀有增反膜。

6.如权利要求3所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，所述相位调制镜(1)和所述准直镜(3)均为抛物面镜。

7.如权利要求3所述的反射式激光光束整形装置，其特征在于，所述相位调制镜(1)和所述准直镜(3)的内部均都设有环形水冷通道(4)，用于降低所述相位调制镜(1)和所述准直镜(3)的温度。

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