CN115185093A - 一种平顶激光光束整形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平顶激光光束整形方法，属于光学元件设计领域。本发明针对现有的平顶激光光束整形方法中存在的干涉条纹和中心零级强点问题，通过利用散射器件对输入激光场进行调制产生小角度的随机散射光，再与其他整形结构产生的光场卷积，以产生不同形状轮廓分布的平顶光束。本发明提出的光束整形方法可削弱常规方法中产生的干涉条纹、消除中心零级强点以提高整形后光斑的均匀性，在激光加工、激光投影、激光医疗美容等领域具有重要的应用价值。

Description

一种平顶激光光束整形方法
技术领域
本发明涉及光学元件设计领域，具体涉及一种平顶激光光束整形方法。
背景技术
将输入为高斯分布的激光整形成平顶光束，在激光加工、激光医疗、激光投影等领域有着广泛的应用。目前常用的集成度较高的平顶激光光束整形方法有两种，一种是基于微透镜阵列，一种是基于衍射光学元件。基于微透镜阵列整形激光光束的基本原理是通过微透镜阵列中的子透镜单元对输入的激光进行分割，分割成多个能量分布不同的子光束，再通过傅里叶透镜，将各个子光束的能量进行扩展并叠加，以消除不同子光束之间的不均匀性，获得能量分布为平顶的光斑。因此对输入光束分割的越细，整形后的平顶光束越均匀。但是由于激光的相干性，不同子光束之间发生干涉，造成平顶光斑上出现相干条纹，降低了光斑的均匀性。同时整形后的平顶光斑形状由微透镜阵列中的子透镜单元口径形状决定，一般情况下，可通过微透镜阵列的整形可形成正方形、长方形或六边形光斑。对于圆形或者其他任意形状的平顶光束的实现比较困难。基于衍射光学元件可以通过纯相位调控产生任意形状的平顶光斑。但是其结构的加工精度要求较高，结构深度误差会造成平顶光斑中心出现极亮的零级强点，导致整形后的光斑直接无法使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决现有的平顶激光光束整形方法中存在的干涉条纹和中心零级强点问题，提出一种平顶激光光束整形方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种平顶激光光束整形方法，该方法通过利用散射器件1对输入激光场进行调制产生小角度的随机散射光，再与整形结构2产生的光场卷积，以产生不同形状轮廓分布的平顶光束。
进一步地，所述的散射器件1为随机分布的连续面型微结构，将输入的高斯光束调制生成小角度随机散射光，其特性用复振幅透射系数t1(x1,y1)表示：
Figure BDA0003762594620000011
其中，A1(x1,y1)为第一振幅分布函数，x1和y1分别为散射器件1垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标，
Figure BDA0003762594620000021
为复指数函数分布，
Figure BDA0003762594620000022
为第一相位分布函数，i为虚数单位。
进一步地，所述的输入的激光场为需要整形成平顶光束的照明光场，其复振幅分布记为
Figure BDA0003762594620000023
进一步地，所述的输入的激光场
Figure BDA0003762594620000024
刚刚透过散射器件调制产生小角度的随机散射光的复振幅分布
Figure BDA0003762594620000025
为：
Figure BDA0003762594620000026
进一步地，所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，整形结构2产生的光场特性用复振幅透射系数t2(x2,y2)表示：
Figure BDA0003762594620000027
其中，A2(x2,y2)为第二振幅分布函数，
Figure BDA0003762594620000028
为第二相位分布函数，x2和y2分别为整形结构2垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标。
进一步地，所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，散射器件1和整形结构2之间可以是紧贴放置，也可以间隔一定的距离放置。
进一步地，所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2紧贴放置时，t2(x2,y2)中的x2＝x1、y2＝y1，则有t2(x2,y2)＝t2(x1,y1)。
在远场观察整形后的光场
Figure BDA0003762594620000029
表示为：
Figure BDA00037625946200000210
其中，
Figure BDA00037625946200000211
为傅里叶变换函数，可见此时整形后的光场为照明光场复振幅分布、散射器件复振幅透射系数和整形结构复振幅透射系数的分别傅里叶变换，再相互卷积得到。
进一步地，所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2间隔一定的距离z放置时，被调制的光场
Figure BDA00037625946200000212
的传播一定距离z将发生衍射，得到新的复振幅分布
Figure BDA00037625946200000213
在菲涅尔近似下：
Figure BDA00037625946200000214
其中，z为间隔，k为波矢，λ为入射光波长。
进一步地，所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2间隔一定的距离z放置时，在远场观察整形后的光场
Figure BDA0003762594620000031
表示为：
Figure BDA0003762594620000032
进一步地，所述的整形后光场的形状由整形结构决定，整形后的光场发散角以及光斑均匀性由散射器件和整形结构参数以及其之间的间隔z共同决定。
本发明的有益效果在于：通过利用散射器件将输入的激光调制成散射光，并与其他衍射结构相结合，可提高整形后平顶光束的均匀性。例如与MLA结构结构，可以消除平顶光斑中的干涉条纹；与DOE结构结合，可以在一定程度上弥散光斑中心零级强点的能量，有效降低结构加工精度的要求。
附图说明
图1为实施例中平顶激光光束整形原理图，其中，1为散射器件，2为整形结构；
图2为实施例中散射光场与微透镜阵列的衍射光场卷积后的正方形平顶光束；
图3为实施例中散射光场与衍射光学元件调制的多环光场卷积后的圆形平顶光束；
图4为实施例中散射光场与衍射光学元件调制的矩形散斑场卷积后的长方形平顶光束。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
本发明一种平顶激光光束整形方法，该方法通过利用散射器件1对输入激光场进行调制产生小角度的随机散射光，再与整形结构2产生的光场卷积，以产生不同形状轮廓分布的平顶光束。
所述的散射器件1为随机分布的连续面型微结构，将输入的高斯光束调制生成小角度随机散射光，其特性用复振幅透射系数t1(x1,y1)表示：
Figure BDA0003762594620000033
其中，A1(x1,y1)为第一振幅分布函数，x1和y1分别为散射器件1垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标，
Figure BDA0003762594620000034
为复指数函数分布，
Figure BDA0003762594620000035
为第二相位分布函数，i为虚数单位。
所述的输入的激光场为需要整形成平顶光束的照明光场，其复振幅分布记为
Figure BDA0003762594620000036
所述的输入的激光场
Figure BDA0003762594620000041
刚刚透过散射器件调制产生小角度的随机散射光的复振幅分布
Figure BDA0003762594620000042
为：
Figure BDA0003762594620000043
所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，整形结构2产生的光场特性用复振幅透射系数t2(x2,y2)表示：
Figure BDA0003762594620000044
其中，A2(x2,y2)为第二振幅分布函数，
Figure BDA0003762594620000045
为第二相位分布函数，x2和y2分别为整形结构2垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标。
所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，散射器件1和整形结构2之间可以是紧贴放置，也可以间隔一定的距离放置。
所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2紧贴放置时，t2(x2,y2)中的x2＝x1、y2＝y1，则有t2(x2,y2)＝t2(x1,y1)。
在远场观察整形后的光场
Figure BDA0003762594620000046
表示为：
Figure BDA0003762594620000047
其中，
Figure BDA0003762594620000048
为傅里叶变换函数，可见此时整形后的光场为照明光场复振幅分布、散射器件复振幅透射系数和整形结构复振幅透射系数的分别傅里叶变换，再相互卷积得到。
所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2间隔一定的距离z放置时，被调制的光场
Figure BDA0003762594620000049
的传播一定距离z将发生衍射，得到新的复振幅分布
Figure BDA00037625946200000410
在菲涅尔近似下：
Figure BDA00037625946200000411
其中，z为间隔，k为波矢，λ为入射光波长。
所述的小角度的随机散射光与整形结构2产生的光场卷积，当散射器件1和整形结构2间隔一定的距离z放置时，在远场观察整形后的光场
Figure BDA00037625946200000412
表示为：
Figure BDA00037625946200000413
所述的整形后光场的形状由整形结构决定，整形后的光场发散角以及光斑均匀性由散射器件1和整形结构2参数以及其之间的间隔z共同决定。
实施例：
图1为平顶激光光束整形方法的原理图。被整形的激光输入光场能量分布Iin为高斯分布，经过散射器件1的调制，生成小角度随机散射光，再经过整形结构2的调制，形成平顶光束Iout。
图2为整形生成的正方形平顶光束。波长650nm的激光经过散射器件，形成发散角为3°的随机散射光，紧接着传输经过口径为200微米的微透镜阵列。整形后的正方形平顶光束的光场分布形式为散射光场与微透镜阵列衍射光场的卷积效果，可见微透镜阵列调制后的平顶光斑中的干涉条纹被有效消除，整形后的平顶光斑均匀性得到明显提升。
图3为整形生成的圆形平顶光束。波长650nm的激光经过散射器件，形成发散角为3°的散射光，紧接着传输经过衍射光学元件。整形后的圆形平顶光束的光场分布形式为散射光场与衍射光学元件衍射生成的多环带光场的卷积效果，可见散射器件将多环带的平顶光弥散开，获得了圆形平顶光束，同时中心零级强点的能量也被削弱，提高了整体平顶光束的均匀性。
图4为整形生成的长方形平顶光束。波长650nm的激光经过散射器件，形成发散角为3°的散射光，紧接着传输经过衍射光学元件。整形后的长方形平顶光束的光场分布形式为散射光场与衍射光学元件衍射生成的长方形区域内散斑点组成的光场的卷积效果，可见散射器件将长方形区域内分布的散斑点弥散开，获得了长方形平顶光束，同时中心零级强点的能量也被削弱，提高了整体平顶光束的均匀性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明的一种实施例，并非用以限定本发明的实施范围。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)

1.一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：该方法通过利用散射器件(1)对输入激光场进行调制产生小角度的随机散射光，再与整形结构(2)产生的光场卷积，以产生不同形状轮廓分布的平顶光束。
2.根据权利要求1所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：散射器件(1)为随机分布的连续面型微结构，将输入的高斯光束调制生成小角度随机散射光，其特性用复振幅透射系数t1(x1,y1)表示：
Figure FDA0003762594610000011
其中，A1(x1,y1)为第一振幅分布函数，x1和y1分别为散射器件(1)垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标，
Figure FDA0003762594610000012
为复指数函数分布，
Figure FDA0003762594610000013
为第二相位分布函数，i为虚数单位。
3.根据权利要求2所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：输入的激光场为需要整形成平顶光束的照明光场，其复振幅分布记为
Figure FDA0003762594610000014
4.根据权利要求2所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：输入的激光场
Figure FDA0003762594610000015
刚刚透过散射器件调制产生小角度的随机散射光的复振幅分布
Figure FDA0003762594610000016
为：
Figure FDA0003762594610000017
5.根据权利要求2所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：小角度的随机散射光与整形结构(2)产生的光场卷积，整形结构(2)产生的光场特性用复振幅透射系数t2(x2,y2)表示：
Figure FDA0003762594610000018
其中，A2(x2,y2)为第二振幅分布函数，
Figure FDA0003762594610000019
为第二相位分布函数，x2和y2分别为整形结构(2)垂直于光轴平面空间位置的横、纵坐标。
6.根据权利要求1所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：小角度的随机散射光与整形结构(2)产生的光场卷积，散射器件(1)和整形结构(2)之间可以是紧贴放置，也可以间隔一定的距离放置。
7.根据权利要求5所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：小角度的随机散射光与整形结构(2)产生的光场卷积，当散射器件(1)和整形结构(2)紧贴放置时，t2(x2,y2)中的x2＝x1、y2＝y1，则有t2(x2,y2)＝t2(x1,y1)；
在远场观察整形后的光场
Figure FDA0003762594610000021
表示为：
Figure FDA0003762594610000022
其中，
Figure FDA0003762594610000023
为傅里叶变换函数，可见此时整形后的光场为照明光场复振幅分布、散射器件复振幅透射系数和整形结构复振幅透射系数的分别傅里叶变换，再相互卷积得到。
8.根据权利要求1所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：小角度的随机散射光与整形结构(2)产生的光场卷积，当散射器件(1)和整形结构(2)间隔一定的距离z放置时，被调制的光场
Figure FDA0003762594610000024
的传播一定距离z将发生衍射，得到新的复振幅分布
Figure FDA0003762594610000025
在菲涅尔近似下：
Figure FDA0003762594610000026
其中，z为间隔，k为波矢，λ为入射光波长。
9.根据权利要求5所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：小角度的随机散射光与整形结构(2)产生的光场卷积，当散射器件(1)和整形结构(2)间隔一定的距离z放置时，在远场观察整形后的光场
Figure FDA0003762594610000027
表示为：
Figure FDA0003762594610000028
10.根据权利要求1所述的一种平顶激光光束整形方法，其特征在于：整形后光场的形状由整形结构决定，整形后的光场发散角以及光斑均匀性由散射器件和整形结构参数以及其之间的间隔z共同决定。
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