CN113467096A - 一种激光光束平顶光整形装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光光束平顶光整形装置及其工作方法，该装置包括：激光器、分束系统、干涉控制系统、合束系统以及光学元件，激光器与分束系统连接，分束系统与干涉控制系统连接，干涉控制系统与合束系统连接，合束系统与光学元件连接。本发明实施例通过设置激光器、分束系统、干涉控制系统、合束系统以及光学元件，激光器发出的光束，经过分束系统处理后得到多路光源，再由干涉控制系统进行处理以防止光斑合成后发生干涉的问题，通过合束系统将各路光源重新合束，再通过光学元件聚焦在焦平面上，入射光源为高斯光束，对入射光波前不敏感，整个装置采用的器件成本低，能获得接近入射光束衍射极限大小，稳定性高。

Description

一种激光光束平顶光整形装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光光束平顶光整形装置及其工作方法。

背景技术

基模激光是高斯光束，横截面能量分布呈高斯曲线，中心强，两边弱，能量分布均匀性很差。对于很多应用，如激光退火、Micro-LED的加工转移、特殊激光切割和焊接等领域，都需要光斑能量分布均匀的光束，即平顶光。

常见的平顶光整形方法有利用DOE(衍射光学元件，Diffractive OpticalElements)、基于几何方法的非球面透镜、微透镜阵列等。DOE方法对入射光的波前信息、光斑大小和位置角度都十分严格，对光路元件的质量要求很高，应用系统长期稳定性差，以上方法对整形器件要求严格，因此成本很高，并且对入射光束都变成了多模光束，在加工面的聚焦光斑远大于高斯光束的衍射极限光斑，对于紫外波段，由于波长很短、单光子能量高、对材料要求严格，以上常见的整形器件制作难度大，高功率应用稳定性差。

因此，有必要设计一种新的装置，实现对入射光波前不敏感，成本低，能获得接近入射光束衍射极限大小，稳定性高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光光束平顶光整形装置及其工作方法。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种激光光束平顶光整形装置，包括：激光器、分束系统、干涉控制系统、合束系统以及光学元件，所述激光器与所述分束系统连接，所述分束系统与所述干涉控制系统连接，所述干涉控制系统与所述合束系统连接，所述合束系统与所述光学元件连接。

其进一步技术方案为：所述激光器与所述分束系统之间连接有功率衰减单元。

其进一步技术方案为：所述干涉控制系统包括若干个依序连接的反射镜，其中一个所述反射镜与所述分束系统连接。

其进一步技术方案为：所述分束系统包括分束器。

其进一步技术方案为：与所述分束系统连接的反射镜位于所述分束系统的下方。

其进一步技术方案为：所述光学元件还包括依序连接的振镜以及场镜，所述振镜与所述合束系统连接，所述场镜位于所述振镜的下方。

其进一步技术方案为：还包括控制系统，所述控制系统分别与所述激光器以及所述振镜连接。

其进一步技术方案为：所述合束系统包括合束器。

另外，本发明要解决的技术问题是还在于提供一种激光光束平顶光整形装置的工作方法，其特征在于，包括：

激光器输出光束，光束通过分束系统分成多路光源，多路光源通过干涉控制系统进行防止光斑合成后发生干涉的处理后，由通过合束系统进行合束，形成合成光源，合成光源通过光学元件聚焦在焦平面，并通过调整各路光源在焦平面上的光斑中心间距，以合成平顶光。

其进一步技术方案为：多路光源通过干涉控制系统进行防止光斑合成后发生干涉的处理时，具体是干涉控制系统对多路光源加入光程延迟，延迟量大于光源的相干长度，以消除各路光之间的相干性。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置激光器、分束系统、干涉控制系统、合束系统以及光学元件，激光器发出的光束，经过分束系统处理后得到多路光源，再由干涉控制系统进行处理以防止光斑合成后发生干涉的问题，通过合束系统将各路光源重新合束，再通过光学元件聚焦在焦平面上，入射光源为高斯光束，对入射光波前不敏感，整个装置采用的器件成本低，能获得接近入射光束衍射极限大小，稳定性高。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光光束平顶光整形装置的示意性框图；

图2为本发明实施例提供的干涉控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的两个高斯光斑合成一维平顶光的示意图；

图4为本发明实施例提供的四个高斯光斑合成二维平顶光的3D示意图；

图5为本发明实施例提供的四个高斯光斑合成二维平顶光的2D示意图。

图中标识说明：

10、激光器；20、功率衰减单元；30、分束系统；40、干涉控制系统；41、反射镜；50、合束系统；60、振镜；70、场镜；80、焦平面；90、控制系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种激光光束平顶光整形装置的示意性框图，可以运用在激光材料去除、激光切割、激光焊接等场景中，实现对入射光波前不敏感的，低成本，能获得接近入射光束衍射极限大小、高均匀度的平顶光，还可以应用于如激光退火、太阳能硅片的消融、Micro LED巨量转移等高端激光应用领域。

请参阅图1，上述的一种激光光束平顶光整形装置，包括：激光器10、分束系统30、干涉控制系统40、合束系统50以及光学元件，激光器10与分束系统30连接，分束系统30与干涉控制系统40连接，干涉控制系统40与合束系统50连接，合束系统50与光学元件连接。

请参阅图3，两个高斯分布的光斑逐渐靠近时，合成的强度分布会变成双峰结构的分布，在某一位置状态，刚好能合成一维平顶分布的光斑。请参阅图4和图5，四个高斯分布的光斑互相逐渐靠近时，合成的强度分布会变成四个峰结构的分布，在某一位置状态，刚好能合成二维平顶分布的方形光斑。

激光器10输出的光束通过分束系统30分成两路光或者四路光，然后通过干涉控制系统40进行处理，以防止光斑合成后发生干涉的问题；接着通过合束系统50将各路光重新合束，最后通过透镜或者场镜70聚焦在焦平面80，通过调整各路光在焦平面80上的光斑中心间距，使得以一定的错位量叠加在一起，刚好合成平顶光。两束光合可以合成一维平顶光，四束光可以合成二维平顶光。

请参阅图1，上述的激光器10与分束系统30之间连接有功率衰减单元20。激光器10发出特定波长、特定功率的光束通过功功率衰减单元20调节所需功率。

在一实施例中，请参阅图2，上述的干涉控制系统40包括若干个依序连接的反射镜41，其中一个的反射镜41与分束系统30连接。

在一实施例中，上述的分束系统30包括分束器。分束系统30是通过偏振分束或者强度分束以获得强度相等的多路光源。

在一实施例中，请参阅图2，与分束系统30连接的反射镜41位于分束系统30的下方。

在本实施例中，通过在分束后的各路光源加入适当的光程延迟，延迟量大于光源的相干长度，便可消除各路光之间的相干性，最终克服光斑合成后的干涉问题，如图2所示，A1与A2两路光的光程延迟为L1+L2。

具体地，若干个反射镜41的布置位置如下：第一个反射镜41位于分束系统30的下方，第二个反射镜41位于第一个反射镜41的左侧，第三个反射镜41位于第二个反射镜41的上方，且第三个反射镜41也位于分束系统30的下方，经过分束器后的两束光源，一路直接输出，另一路光源依序经过第一个反射镜41、第二个反射镜41以及第三个反射镜41后输出，分束器与第一个反射镜41的垂直距离为L1，第二个反射镜41与第三个反射镜41之间的垂直距离为L2。

在一实施例中，请参阅图1，上述的光学元件还包括依序连接的振镜60以及场镜70，振镜60与合束系统50连接，场镜70位于振镜60的下方。场镜70的下方设有焦平面80。

在一实施例中，请参阅图1，上述的一种激光光束平顶光整形装置还包括控制系统90，控制系统90分别与激光器10以及振镜60连接。

另外，合束系统50包括合束器。

激光器10发出特定波长、特定功率的光束，通过功率衰减模块调节所需功率，通过分束系统30分成四束功率相等的光源，通过合束系统50合成特定间距传输的四光束，进入振镜60和场镜70扫描后，最终在场镜70的焦平面80上合成特定大小的平顶光；控制系统90控制激光器10出光时刻和振镜60扫描动作。在场镜70焦平面80附近获得均匀度大于95％，接近衍射极限大小的方形平顶光，能够实现大幅面扫描范围，并能长期高功率稳定工作。

本实施例由于光路的分束和合束都没有涉及光束的位相信息，所以对光源和各元件的光学性能要求没有DOE应用那么高。由于整个光路的光束都是属于高斯光束，常规场镜70的设计与优化都是基于高斯光束，整个装置能够实现任意工作距离和扫描范围，可以灵活实现所需求的合成平顶光斑，甚至能达到接近高斯光束衍射极限大小，这是传统平顶整形方法不能做到的。

平顶光斑的形状可以灵活实现，分成两束光再合成可以得到长条形的一维平顶光，分成四束光再合成可以得到方形的二维平顶光，分成七束光再合成可以得到圆形的二维平顶光。平顶光斑的均匀度可以做到很高，只要精确控制焦平面80上的各光斑间距，便可实现95％以上的均匀度。

综上所述，本实施例的装置所用部件与常规激光加工光路的一样，成熟可靠，因此整形装置的质量性能更稳定可靠，整体成本也较低。

上述的一种机关光束平顶光整形装置，通过设置激光器10、分束系统30、干涉控制系统40、合束系统50以及光学元件，激光器10发出的光束，经过分束系统30处理后得到多路光源，再由干涉控制系统40进行处理以防止光斑合成后发生干涉的问题，通过合束系统50将各路光源重新合束，再通过光学元件聚焦在焦平面80上，入射光源为高斯光束，对入射光波前不敏感，整个装置采用的器件成本低，能获得接近入射光束衍射极限大小，稳定性高。

在一实施例中，还提供了一种激光光束平顶光整形装置的工作方法，包括：

激光器10输出光束，光束通过分束系统30分成多路光源，多路光源通过干涉控制系统40进行防止光斑合成后发生干涉的处理后，由通过合束元件进行合束，形成合成光源，合成光源通过光学元件聚焦在焦平面80，并通过调整各路光源在焦平面80上的光斑中心间距，以合成平顶光。

在一实施例中，上述的多路光源通过干涉控制系统40进行防止光斑合成后发生干涉的处理时，具体是干涉控制系统40对多路光源加入光程延迟，延迟量大于光源的相干长度，以消除各路光之间的相干性。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述一种激光光束平顶光整形装置的工作方法的具体实现过程，可以参考前述的一种激光光束平顶光整形装置实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，包括：激光器、分束系统、干涉控制系统、合束系统以及光学元件，所述激光器与所述分束系统连接，所述分束系统与所述干涉控制系统连接，所述干涉控制系统与所述合束系统连接，所述合束系统与所述光学元件连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，所述激光器与所述分束系统之间连接有功率衰减单元。

3.根据权利要求1所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，所述干涉控制系统包括若干个依序连接的反射镜，其中一个所述反射镜与所述分束系统连接。

4.根据权利要求3所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，所述分束系统包括分束器。

5.根据权利要求4所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，与所述分束系统连接的反射镜位于所述分束系统的下方。

6.根据权利要求5所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，所述光学元件还包括依序连接的振镜以及场镜，所述振镜与所述合束系统连接，所述场镜位于所述振镜的下方。

7.根据权利要求6所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统分别与所述激光器以及所述振镜连接。

8.根据权利要求1所述的一种激光光束平顶光整形装置，其特征在于，所述合束系统包括合束器。

9.一种激光光束平顶光整形装置的工作方法，其特征在于，包括：

激光器输出光束，光束通过分束系统分成多路光源，多路光源通过干涉控制系统进行防止光斑合成后发生干涉的处理后，由通过合束系统进行合束，形成合成光源，合成光源通过光学元件聚焦在焦平面，并通过调整各路光源在焦平面上的光斑中心间距，以合成平顶光。

10.根据权利要求9所述的一种激光光束平顶光整形装置的工作方法，其特征在于，多路光源通过干涉控制系统进行防止光斑合成后发生干涉的处理时，具体是干涉控制系统对多路光源加入光程延迟，延迟量大于光源的相干长度，以消除各路光之间的相干性。

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