CN112558312B - 一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，生成以闪耀光栅为背景的纯黑掩模全息图；纯黑掩模内部加载中间灰度级高四周灰度级逐渐降低的正交光栅，获得混合全息图；将混合全息图加载到空间光调制器上，电脑控制激光器输出激光入射空间光调制器中；通过光阑去正1阶光；光束再经过分束镜分别进入CCD相机和3轴加工平台。本发明操作方便，使用灵活；可以按照目标需要制作不同尺寸不同形状的大掩模全息图；方便改变需要整形的光斑形状及尺寸，将高斯光整形为平顶光。
Description
技术领域
本发明属于激光控制技术领域，涉及到高斯光束整形的调控，具体涉及到一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法。
背景技术
激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，它具有单色性和相干性好、方向性强、亮度高等特点，其被广泛的应用到加工、通讯、医疗、军事等方面，给我们的生活带来极大的帮助与便利。
激光光束能量通常呈高斯分布，这种高斯分布通常具有较窄的束腰，这种高斯光在束腰部分的能量分布较为密集。在激光加工、精密测量、生物医学等技术领域，通常由于其较高密度的能量分布引起了工艺的精度低，效率低等问题，尤其是在激光加工这一领域，这种不均匀的光斑分布会使得一些精密的加工无法达到其期望值。
因此，已有研究人员将高斯光转化为能量分布均匀的平顶光，但由于目前已研发出来的平顶光束都具有光斑整形区域较小这一重大缺点，导致能量利用率过低，因此对激光器功率需求过高，为解决这一重大问题，研发了一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，解决高能量利用率这一关键问题。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，包括以下步骤：
步骤1：生成以闪耀光栅为背景的纯黑掩模全息图；
步骤2：将步骤1得到的纯黑掩模全息图的纯黑掩模内部加载中间灰度级高四周灰度级逐渐降低的正交光栅，获得混合全息图；
步骤3：将步骤2得到的混合全息图加载到空间光调制器上，电脑控制激光器输出激光，输出激光再依次通过1/2波片、电子快门后入射空间光调制器中；
步骤4：空间光调制器的输出光束通过第一透镜后在第一透镜后的焦点处聚焦，光阑放置在上述聚焦的焦点上，聚焦后的光束经过分束镜后，一束通过第二透镜后进入CCD相机；另一束通过第三透镜后作用在3轴加工平台。
一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，还包括以下步骤：
步骤5：通过调节闪耀光栅的周期来改变闪耀角，进而调节空间光调制器的输出光束的光斑边缘；
通过调节纯黑掩模直径与形状，进而调节空间光调制器的输出光束的光斑的大小和形状；
通过调节正交光栅的周期，使得衍射光在对整形光束的影响最小，且衍射效率最大；
通过调节正交光栅的灰度等级，获得对应的平顶光。
如上所述的步骤3中，通过调节混合全息图输入到空间光调制器的位置，使空间光调制器输光光斑中心对应混合全息图的中心。
如上所述的步骤3中，输出激光依次通过1/2波片、电子快门后以小于10 度的入射角入射空间光调制器中。
与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：
(1)、空间光调制器操作方便，使用灵活；
(2)、本发明方法利用算法制作混合全息图，按照目标需要制作不同尺寸不同形状的大掩模全息图，使得混合全息图的制作变得较为方便。
(4)、本发明方法利用空间光调制器可以加载相应的混合全息图，可以在实验过程中，通过不断的改变混合全息图从而改变需要整形的光斑形状及尺寸。
(5)、本发明方法利用掩模内部渐变灰度等级的正交光栅，根据是是利用由于不同灰度等级的正交光栅其0级占比不一样，因此渐变灰度等级的正交光栅可以将高斯光整形为平顶光。
附图说明
图1为本发明实施例的混合全息图；
图2为本发明实施例的光路系统图；
图3为本发明实施例的不同灰度等级零级光能量占比图。
Laser-激光器；1/2plate-1/2波片；shutter-电子快门；Mirror1-第一反射镜；Mirror2-第二反射镜；SLM-空间光调制器；Mirror3-第三反射镜；Mirror4- 第四反射镜；lens1-第一透镜；Mirror5-第五反射镜；Split-光阑；Pick-off- 分束镜；Mirror6-第六反射镜；lens2-第二透镜；lens3-第三透镜；CCD-CCD相机；3-axis Stage-3轴加工平台；PC-电脑。A’-第一分束光路；A”-第二分束光路。
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。
本发明提供的一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，包括闪耀光栅背景和渐变灰度等级的正交光栅掩模组合而成的混合全息图、空间光调制器 (SLM)、光阑、轮廓分析仪(CCD相机)及电脑。所述的闪耀光栅，在光束经过闪耀光栅时，可将光束分成0级与+1级，最终保留0级光进行整形；所述的掩模，在光束经过掩模时，会按照掩模的大小和形状，反射出期望的光斑尺寸及形状；所述的渐变灰度的正交光栅，在光束经过渐变灰度的正交光栅时，由于不同灰度等级的正交光栅其0级能量占比不一样，因此渐变灰度等级的正交光栅可以将高斯光整形为平顶光。
电脑用于连接空间光调制器和CCD相机，以控制空间光调制器和CCD相机的工作。
实施例1中CCD相机采集的图像会展现在电脑上，通过在电脑中观察得到的能量利用率以及光束均匀性结果，可以实施设计全息图并且调节光斑尺寸、位置、形状从而实验更优的整形效果.
本发明提供的一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，包括以下步骤：
步骤1：生成以闪耀光栅为背景的纯黑掩模全息图，此闪耀光栅的作用是为了将零阶光与正1阶光分开，利用光阑只保留零阶光，纯黑掩模的作用是利用光的反射原理得到期望尺寸及形状的光斑。
步骤2：将步骤1得到的纯黑掩模全息图的纯黑掩模内部加载中间灰度级高四周灰度级逐渐降低的一种渐变灰度等级的正交光栅，制作成一个混合全息图，由图3所示，由于不同灰度等级的正交光栅其0级占比不一样，因此渐变灰度等级的正交光栅可以将高斯光整形为平顶光。
步骤3：将步骤2得到的混合全息图加载到空间光调制器上，图2中的电脑 pc控制激光器输出激光，输出激光再依次通过1/2波片、电子快门后，再依次经第一反射镜、第二反射镜反射后以小于10度的入射角入射空间光调制器中，通过调节混合全息图输入到空间光调制器的位置，使空间光调制器输光光斑中心对应混合全息图的中心。本次实验使用的空间光调制器是日本HAMAMATSU公司生产，为纯相位型空间光调制器，型号为X10468。
步骤4：将步骤1中从空间光调制器的输出光束中的正1阶光用光阑的边缘挡住，只允许零级光通过，本次光阑的调控范围为1-12mm。
空间光调制器的输出光束在经过第三反射镜和第四反射镜反射后，再通过第一透镜后经第五反射镜反射，在第五反射镜反射后对应第一透镜后的焦点处聚焦，光阑放置在上述聚焦的焦点上，聚焦后的光束经过分束镜，一束通过第六反射镜与第二透镜后进入CCD相机；另一束通过第三透镜后作用在3轴加工平台。
其中第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜用于调节光束方向；光阑用于阻挡1阶光；分束镜将光分成两束，一束用于CCD相机观察，一束工艺处理；其中由第一透镜与第二透镜组成的光学4f系统将空间光调制器上的光束成像到CCD相机中进行观察光斑形貌；由第一透镜与第三透镜组成的光学4f系统将空间光调制器上的光束成像到3轴加工平台上进行工艺处理。
其中激光器、空间光调制器、CCD相机、3轴加工平台皆有PC控制。
步骤5：用CCD相机观察整形后的平顶光束，可以在实验过程中进行实时调制，根据观察到的光斑整形情况实时调节光斑的边缘形貌、直径、形状、衍射效率等参数，通过调节闪耀光栅的周期来改变闪耀角，使空间光调制器的输出光束的光斑边缘形状良好；通过调节纯黑掩模直径与形状，使得空间光调制器的输出光束的光斑的大小可控、形状可控；通过调节正交光栅的周期，使其衍射光在对整形光束不影响的前提下，尽可能的提高衍射效率；通过调节正交光栅的灰度等级，由于不同灰度等级的正交光栅其0级能量占比不一样，因此渐变灰度等级的正交光栅可以将高斯光整形为平顶光。
尽管本说明书较多地使用了闪耀光栅、渐变灰度等级的正交光栅、掩模、混合全息图等术语，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，把它们解释称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。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种高能量利用率高均匀性的光束整形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生成以闪耀光栅为背景的纯黑掩模全息图；
步骤2：将步骤1得到的纯黑掩模全息图的纯黑掩模内部加载中间灰度级高四周灰度级逐渐降低的正交光栅，获得混合全息图；
步骤3：将步骤2得到的混合全息图加载到空间光调制器上，电脑控制激光器输出激光，输出激光再依次通过1/2波片、电子快门后入射空间光调制器中；
步骤4：空间光调制器的输出光束通过第一透镜后在第一透镜后的焦点处聚焦，光阑放置在上述聚焦的焦点上，聚焦后的光束经过分束镜后，一束通过第二透镜后进入CCD相机；另一束通过第三透镜后作用在3轴加工平台，
还包括以下步骤：
步骤5：通过调节闪耀光栅的周期来改变闪耀角，进而调节空间光调制器的输出光束的光斑边缘；
通过调节纯黑掩模直径与形状，进而调节空间光调制器的输出光束的光斑的大小和形状；
通过调节正交光栅的周期，使得衍射光在对整形光束的影响最小，且衍射效率最大；
通过调节正交光栅的灰度等级，获得对应的平顶光，
所述的步骤3中，通过调节混合全息图输入到空间光调制器的位置，使空间光调制器输光光斑中心对应混合全息图的中心，
所述的步骤3中，输出激光依次通过1/2波片、电子快门后以小于10度的入射角入射空间光调制器中。
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