CN112620931A - 一种光束整形的激光加工装置及方法 - Google Patents

一种光束整形的激光加工装置及方法 Download PDF

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    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot

Abstract

本发明属于激光加工领域，提供了一种光束整形的激光加工装置及方法。其中，光束整形的激光加工装置包括偏振角度调整器件、空间光调制器、振镜和聚焦透镜；所述偏振角度调整器件用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度并射入空间光调制器；所述空间光调制器上加载有相位调制掩膜，相位调制掩膜用于调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到调制的平行光束在聚焦透镜的像面位置产生所需要的整形聚焦光斑；所述振镜将含有整形所需统出瞳复函数信息的平行光束反射成不同角度，经过聚焦透镜，用于将整形聚焦光斑投射到工件表面的不同位置。

Description

一种光束整形的激光加工装置及方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种光束整形的激光加工装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
激光加工技术是一种绿色先进制造技术，利用高能激聚焦光束烧蚀物体表面，实现机械加工的目的。而对于一些熔点相对较低或者易氧化的材料，聚焦的高斯激光束导致加工的材料表面质量下降。已有研究表明平顶光束能够很好地改善这些缺陷。
发明人发现，目前还未有能够适配振镜系统的光束整形激光加工装置和相应技术；而且现有的空间光调制器整形技术具有与振镜相结合的可能性，但是其得到的光束均匀性仍然较差，鲁棒性也无法满足较高的使用要求。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种光束整形的激光加工装置，其能够使光束整形系统能够与振镜系统相适配，提高使用空间光调制器进行光束整形的均匀性和鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光束整形的激光加工装置，其包括偏振角度调整器件、空间光调制器、振镜和聚焦透镜；
所述偏振角度调整器件用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度，与空间光调制器偏振角度一致；
所述空间光调制器上加载有相位调制掩膜，相位调制掩膜用于调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的光学系统出瞳复函数信息，得到调制的平行光束；
所述振镜将含有整形所需统出瞳复函数信息的平行光束反射成不同角度，再在聚焦透镜的像面位置产生所需要的整形聚焦光斑，并将整形聚焦光斑投射到工件表面的不同位置。
作为一种实施方式，在所述相位调制掩膜中含有出瞳函数的振幅分布信息和相位分布信息，经过迭代运算得到光束整形所需的出瞳复函数。
作为一种实施方式，在所述相位调制掩膜中，根据所需整形形状，设定初始像面复函数的振幅分布，像面复函数的相位分布为任意值，将初始像面复函数进行逆傅里叶变换后，即得到出瞳复函数，将出瞳复函数的振幅分布设置在出瞳以外，得到新的出瞳复函数，再对得到的新的出瞳复函数进行傅里叶变换，即得到迭代过程中的新的像面复函数。
作为一种实施方式，相位掩膜信息的迭代运算步骤为：
步骤一，设定初始像面复函数
Figure BDA0002825760680000021
x,y为像平面的笛卡尔坐标系，根据所需整形形状，设定初始像面复函数U0(x,y)的振幅分布E0(x,y)，像面复函数U0(x,y)的相位分布
Figure BDA0002825760680000022
为任意值；
步骤二，将像面复函数U0(x,y)进行逆傅里叶变换后，得到出瞳复函数P0(u,v)＝A0(u,v)exp[iΦ0(u,v)]，A0(u,v)为出瞳振幅分布，Φ0(u,v)为出瞳相位分布，u,v为出瞳的归一化坐标；将出瞳振幅分布A0(u,v)在出瞳以外，即u2+v2>1的数值设置为0，得到新的出瞳复函数P’(u,v)；
步骤三，将出瞳复函数P’(u,v)进行傅里叶变换，得到迭代过程中的新的像面复函数
Figure BDA0002825760680000031
E(x,y)为像面复函数U(x,y)的振幅分布，而
Figure BDA0002825760680000032
为像面复函数U(x,y)的相位分布，将新的像面复函数的振幅分布E(x,y)替换为初始像面复函数的振幅分布E0(x,y)；
步骤四，重复步骤二和步骤三预设次数，步骤二中的新的出瞳复函数P’(u,v)即为用于光束整形的出瞳复函数P(u,v)＝A(u,v)exp[iΦ(u,v)]。
作为一种实施方式，根据公式当前出瞳振幅分布
Figure BDA0002825760680000033
求解空间光调制器所需加载的振幅分布A’(u,v)。
作为一种实施方式，获得空间光调制器所加载的调制掩膜信息为T(u,v)＝exp{i[A′(u,v)(Φ(u,v)+2πηW)-(1-A′(u,v))π]}。
其中，A’(u,v)和Φ(u,v)分别为空间光调制器所需加载的振幅和相位分布信息，η是空间频率，W是光栅的空间频率；u,v为出瞳的归一化坐标；i是复数虚部单位。
上述方案的优点在于，通过对光瞳的振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。
作为一种实施方式，所述偏振角度调整器件包括偏振器；偏振器用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束偏振设定角度。
作为一种实施方式，所述偏振角度调整器件还包括1/2波片；1/2波片用于继续调整平行光束的偏振角度并传送至空间光调制器。
上述方案的优点在于，本实施例利用偏振器和1/2波片实现平行光束的偏振角度的调整，以使光束的偏振角度与空间光调制器的偏振角度一致，提高调制效率。
作为一种实施方式，所述偏振角度调整器件的入射侧还设置有扩束系统，所述扩束系统用于将激光光束调整成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束。
上述方案的优点在于，利用扩束系统将激光光束调整成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束，用来提高空间光调制器的调制分辨率。
作为一种实施方式，所述扩束系统包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜用于将激光光束聚焦成激光光斑；所述第二透镜用于将激光光斑调整成平行光束。
此处可以理解的是，扩束系统也可采用其他现有的结构来实现，以形成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于光束整形的激光加工装置的加工方法，其整形得到的光束均匀性好且鲁棒性强。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于上述所述的光束整形的激光加工装置的加工方法，其包括：
利用偏振角度调整器件将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度并射入空间光调制器；
在空间光调制器中，调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到整形后的平行光束。
利用振镜将含有整形所需统出瞳复函数信息的平行光反射成不同角度，再在聚焦透镜的像面位置产生所需要的整形聚焦光斑，并将整形聚焦光斑投射到工件表面的不同位置。
本发明的有益效果是：
不同于其他的光束整形方案，此方法对光瞳进行振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。同时，空间光调制器所产生的是平行光束，该光束整形装置可以与振镜相适配。
本发明在空间光调制器上加载有相位调制掩膜，相位调制掩膜调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到整形后的平行光束，通过对光瞳的振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。同时，调制的平行光束会聚后即可得到整形光斑，整机结构紧凑简单。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为一个实施例中公开的光束整形的激光加工装置示意图；
图2为一个能够形成正方形聚焦光斑的相位掩膜板示意图；
图3为本发明实施例的光束整形的激光加工装置获得的正方形聚焦光斑；
图4为采用本发明实施例与MRAF方法对比不同形状聚焦光斑的仿真和实验结果。
其中，1、激光器；2、光纤；3、扩束系统；4、偏振器；5、1/2波片；6、空间光调制器；7、光阑；8、反射镜一；9、电机一；10、反射镜二；11、电机二；12、聚焦物镜；13、工作台。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本实施例的光束整形的激光加工装置，其包括偏振角度调整器件(偏振器4和1/2波片5)、空间光调制器6、振镜(反射镜一8、电机一9、反射镜二10、电机二11)和聚焦物镜12。
在具体实施中，所述偏振角度调整器件用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度，与空间光调制器偏振角度一致。
为了提高光束整形的稳定性，本实施例利用偏振器4和1/2波片5实现平行光束的偏振角度的任意调整。具体地，所述偏振角度调整器件包括偏振器4和1/2波片5；偏振器4用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束偏振设定角度后传送至1/2波片5；1/2波片5用于调整平行光束的偏振角度并传送至空间光调制器7。
作为一种具体实施方式，所述偏振角度调整器件的入射侧还设置有扩束系统3，所述扩束系统3用于将激光光束调整成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束。
其中，激光光束由图1中的激光器1产生。激光器1通过光纤2与扩束系统3连接。
具体地，所述扩束系统包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜用于将激光光束聚焦成激光光斑；所述第二透镜用于将激光光斑调整成平行光束。
此处可以理解的是，扩束系统也可采用其他现有的结构来实现，以形成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束。
本实施例利用扩束系统将激光光束调整成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束，用来提高光束整形的均匀性。
偏振平行光束照射到空间光调制器6上，该光束被调制后，产生振幅和相位调制的平行光束；该光束穿过光阑7，其他级次的衍射光束被滤除；反射镜一8、电机一9、反射镜二10、电机二11构成了振镜，其中，电机一9驱动反射镜一8旋转，电机二11驱动反射镜二10旋转，反射镜一8和反射镜二9相互垂直，含有有效调制信息的平行激光光束被依次反射镜一8和反射镜二9反射，进入聚焦物镜12；经聚焦物镜12后，在聚焦物镜12的像面位置处产生整形光斑，用于加工放置于工作台13的工件。其中，工作台13带有三维运动功能，用以挪动工件。
本实施例通过反射镜及聚焦物镜将整形后的平行光束聚焦在聚焦物镜的像面位置处产生整形光斑。
在具体实施中，空间光调制器6上加载有相位调制掩膜，如图2所示，相位调制掩膜用于调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到整形后的平行光束，如图3所示。
本实施例通过对光瞳的振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。在所述相位调制掩膜中，经过迭代运算得到光束整形所需的出瞳复函数信息。
在具体实施中，迭代运算的步骤为:
步骤一，设定初始像面复函数
Figure BDA0002825760680000091
x,y为像平面的笛卡尔坐标系，根据所需整形形状，设定初始像面复函数U0(x,y)的振幅分布E0(x,y)，而像面复函数U(x,y)的相位分布
Figure BDA0002825760680000092
为任意值。
步骤二，将像面复函数U(x,y)进行逆傅里叶变换后，即可得到出瞳复函数P0(u,v)＝A0(u,v)exp[iΦ0(u,v)]，A0(u,v)为出瞳振幅分布，Φ0(u,v)为出瞳相位分布，u,v为出瞳的归一化坐标。将出瞳振幅分布A0(u,v)在出瞳以外，即u2+v2>1的数值设置为0，得到新的出瞳复函数P’(u,v)。
步骤三，将出瞳复函数P’(u,v)进行傅里叶变换，即可得到迭代过程中的新的像面复函数
Figure BDA0002825760680000101
E(x,y)为像面复函数U(x,y)的振幅分布，而
Figure BDA0002825760680000102
为像面复函数U(x,y)的相位分布，将新的像面复函数的振幅分布E(x,y)替换为初始像面复函数的振幅分布E0(x,y)。
步骤四，重复步骤二和步骤三预设次数，比如10～60次，步骤二中的新的出瞳复函数P’(u,v)即为用于光束整形的出瞳复函数P(u,v)。
其中，出瞳复函数P(u,v)＝A(u,v)exp[iΦ(u,v)]，根据公式
Figure BDA0002825760680000103
求解空间光调制器所需加载的振幅分布A’(u,v)。
所述空间光调制器所加载的调制掩膜信息为T(u,v)＝exp{i[A′(u,v)(Φ(u,v)+2πηW)-(1-A′(u,v))π]}。
其中，A’(u,v)和Φ(u,v)分别为空间光调制器所需加载的振幅和相位分布信息，η是空间频率，W是光栅的空间频率；u,v为出瞳的归一化坐标；i是复数虚部单位。
下面做进一步的说明：
傅里叶光学中，聚焦像平面的场分布与光瞳函数可以表述为一种简单的傅里叶变换：
Figure BDA0002825760680000104
其中，U(x,y)是像面复函数，x,y为像平面的笛卡尔坐标系，A(u,v)为出瞳振幅分布，Φ(u,v)为出瞳相位分布，P(u,v)为出瞳复函数，u,v为出瞳的归一化坐标，f为像面离焦量，
Figure BDA0002825760680000111
为傅里叶变换标记。在光束整形中，已知所需光束形状U(x,y)，根据公式(1)反向求解出瞳复函数P(u,v)即可。
其中，已有的MRAF算法与GS相似，仅对出瞳复函数P(u,v)的相位部分Φ(u,v)进行调制。不过在像面处的定制图案的外围设置成随机噪声，不进行均匀性约束。这种方法在理想情况下可以获得均匀的光斑图案。
与之相对的是，如果对光瞳函数P(u,v)的相位部分Φ(u,v)和振幅部分A(u,v)都进行调制，这种方式就是复调制。本发明采用的复调制方法是在光瞳平面上产生一个相位掩模，调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生所需光瞳函数P(u,v)＝A(u,v)exp[iΦ(u,v)]。依据公式(1)，对所需整形的复函数分布U(x,y)进行逆运算，可以采用以GS为核心的迭代方式。迭代过程中，出瞳振幅分布A(u,v)仅在出瞳外的数据被设置为0，进过10-30次迭代运算即可以得到出瞳复函数P(u,v)。
得到出瞳复函数后，需要通过相位光栅的调制来实现A(u,v)和Φ(u,v)。其原理如下，相位闪耀光栅的函数表达采用级数展开：
Figure BDA0002825760680000112
其中l是衍射级，η是空间频率，1/W是光栅的空间周期。参数M′控制光栅中的相位调制深度，并限制在0≤M′<1。因此，相移范围可以线性控制在0～2πM′。
假定光瞳函数A’(u,v)exp[iΦ(u,v)]调制到相位光栅中，并且将参数M′替换为A’(u,v)，公式(2)将变为：
Figure BDA0002825760680000121
该相位光栅的每个衍射级次都包含了所需调制的振幅A’(u,v)和相位Φ(u,v)信息。值得注意的是，公式(3)中当l＝1时，从该相位光栅T(u,v)的一阶衍射含有exp[iΦ(u,v)]，并具有最大功率。可见，正一阶衍射为有效光束，表示为：
Figure BDA0002825760680000122
那么，一阶衍射的振幅分布为：
Figure BDA0002825760680000123
这样，根据上述迭代运算获得的出瞳复函数P(u,v)＝A(u,v)exp[iΦ(u,v)]中的振幅分布函数A(u,v)和公式(5)反向计算求取空间光调制器所需加载的振幅A′(u,v)，代入公式(3)，SLM的一阶衍射中将含有调制信息。使用聚焦物镜会聚一阶衍射光，像面处即可获得所需的调制光斑。
采用本实施的该光束整形的激光加工装置所形成的不同形状聚焦光斑的仿真和实验结果如图4所示。本实施例在空间光调制器上加载有相位调制掩膜，相位调制掩膜调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到调制的平行光束，通过对光瞳的振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。
基于上述所述的光束整形的激光加工装置的加工方法，包括：
利用偏振角度调整器件将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度并射入空间光调制器；
在空间光调制器中，调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到调制的平行光束。
本实施例通过对光瞳的振幅和相位进行调制，所得的光斑具有更好的鲁棒性，不易受到整形光学系统中各种误差的影响。同时，调制的平行光束会聚后即可得到整形光斑，整机结构紧凑简单。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光束整形的激光加工装置，其特征在于，包括偏振角度调整器件、空间光调制器、振镜和聚焦透镜；
所述偏振角度调整器件用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度，与空间光调制器偏振角度一致；
所述空间光调制器上加载有相位调制掩膜，相位调制掩膜用于调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的光学系统出瞳复函数信息，得到整形后的平行光束；
所述振镜将含有整形所需统出瞳复函数信息的平行光束反射成不同角度，再在聚焦透镜的像面位置产生所需要的整形聚焦光斑，并将整形聚焦光斑投射到工件表面的不同位置。
2.如权利要求1所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，在所述相位调制掩膜中含有出瞳函数的振幅分布信息和相位分布信息，经过迭代运算得到光束整形所需的出瞳复函数。
3.如权利要求1所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，在所述相位调制掩膜中，根据所需整形形状，设定初始像面复函数的振幅分布，像面复函数的相位分布为任意值，将初始像面复函数进行逆傅里叶变换后，即得到出瞳复函数，将出瞳复函数的振幅分布设置在出瞳以外，得到新的出瞳复函数，再对得到的新的出瞳复函数进行傅里叶变换，即得到迭代过程中的新的像面复函数。
4.如权利要求3所述光束整形的激光加工装置，其特征在于，相位掩膜信息的迭代运算步骤为：
步骤一，设定初始像面复函数
Figure FDA0002825760670000011
x,y为像平面的笛卡尔坐标系，根据所需整形形状，设定初始像面复函数U0(x,y)的振幅分布E0(x,y)，像面复函数U(x,y)的相位分布
Figure FDA0002825760670000022
为任意值；
步骤二，将像面复函数U(x,y)进行逆傅里叶变换后，得到出瞳复函数P0(u,v)＝A0(u,v)exp[iΦ0(u,v)]，A0(u,v)为出瞳振幅分布，Φ0(u,v)为出瞳相位分布，u,v为出瞳的归一化坐标；将出瞳振幅分布A0(u,v)在出瞳以外，即u2+v2>1的数值设置为0，得到新的出瞳复函数P’(u,v)；
步骤三，将出瞳复函数P’(u,v)进行傅里叶变换，得到迭代过程中的新的像面复函数
Figure FDA0002825760670000023
E(x,y)为像面复函数U(x,y)的振幅分布，而
Figure FDA0002825760670000024
为像面复函数U(x,y)的相位分布，将新的像面复函数的振幅分布E(x,y)替换为初始像面复函数的振幅分布E0(x,y)；
步骤四，重复步骤二和步骤三预设次数，步骤二中的新的出瞳复函数P’(u,v)即为用于光束整形的出瞳复函数P(u,v)。
5.如权利要求4所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，根据公式当前出瞳振幅分布
Figure FDA0002825760670000021
求解空间光调制器所需加载的振幅分布A’(u,v)。
6.如权利要求1所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，在所述相位调制掩膜中，该相位掩膜是利用光栅调制加载光束整形所需的出瞳复函数信息，其相位光栅函数T(u,v)为：
T(u,v)＝exp{i[A′(u,v)(Φ(u,v)+2πηW)-(1-A′(u,v))π]}
其中，A’(u,v)和Φ(u,v)分别为空间光调制器所需加载的振幅和相位分布信息，η是空间频率，W是光栅的空间频率；u,v为出瞳的归一化坐标；i是复数虚部单位。
7.如权利要求1所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，所述偏振角度调整器件包括偏振器；偏振器用于将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束偏振设定角度。
8.如权利要求7所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，所述偏振角度调整器件还包括1/2波片；1/2波片用于继续调整平行光束的偏振角度并传送至空间光调制器。
9.如权利要求1所述的光束整形的激光加工装置，其特征在于，所述偏振角度调整器件的入射侧还设置有扩束系统，所述扩束系统用于将激光光束调整成截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束。
10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的光束整形的激光加工装置的加工方法，其特征在于，包括：
利用偏振角度调整器件将截面尺寸与空间光调制器尺寸一致的平行光束调整成设定偏振角度并射入空间光调制器；
在空间光调制器中，调制衍射光束的振幅分布和相位分布，产生光束整形所需的出瞳复函数信息，得到调制的平行光束。
利用振镜将含有整形所需统出瞳复函数信息的平行光束反射成不同角度，再在聚焦透镜的像面位置产生所需要的整形聚焦光斑，并将整形聚焦光斑投射到工件表面的不同位置。
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