CN115639681A - 一种可变尺寸线形光束整形装置及整形方法 - Google Patents

Abstract

一种可变尺寸线形光束整形装置及整形方法，其中，整形装置包括控制器、图像采集器、激光器、准直镜、光斑缩放透镜组、分光镜、鲍威尔透镜、柱面凹透镜、柱面凸透镜；柱面凹透镜和柱面凸透镜分别为可移动设置；分光镜用于将线形光束分为两束高斯光束，一束高斯光束传输至鲍威尔透镜进行光束整形，另一束高斯光束传输至图像采集器；图像采集器与控制器信号连接，控制器根据图像采集器采集的光束直径控制柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。通过改变柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的焦距来获得符合要求的光斑尺寸，具有更好的适应性。

Description

一种可变尺寸线形光束整形装置及整形方法

技术领域

本发明涉及激光退火技术领域，具体涉及一种可变尺寸线形光束整形装置及整形方法。

背景技术

激光光束整形是重新分配激光射束的辐照度和相位的过程。根据不同的使用场景和使用需求，将光强呈高斯分布的激光光束整形成光强平顶均匀分布、线形长光束等光束可以有效的提高使用激光的加工效率以及加工质量。在“PCT/US2020/013551“专利中，将多个激光器输出的光束进行光束合并组合叠加输出，从而得到线形光束。但由于光束与光束之间有重叠的部分，会导致最终生成的线形光束均匀性降低。为了避免光束与光束间存在重叠部分，专利”US2020/0235544A1“中使用了反射镜对输出光束起到对重叠部分阻挡的作用，从而可以获得较均匀的光束。但由于对光束有遮挡，对激光能量的利用率较低。

发明内容

为了解决光束整形技术中均匀性降低、激光能量利用率低的问题，本申请提供一种可变尺寸线形光束整形装置及整形方法，通过鲍威尔透镜、柱面凹透镜、柱面凸透镜的配合，实现光束整形具有能量利用率高、光束较为均匀且可变尺寸的效果。

本发明技术方案如下：

本发明提供一种可变尺寸线形光束整形装置，包括控制器和图像采集器，还包括沿光路主轴方向依次设置的激光器、准直镜、光斑缩放透镜组、分光镜、鲍威尔透镜、柱面凹透镜、柱面凸透镜；

所述柱面凹透镜和柱面凸透镜分别为可移动设置；

所述分光镜用于将线形光束分为两束高斯光束，其中，一束高斯光束传输至所述鲍威尔透镜进行光束整形，另一束高斯光束传输至所述图像采集器；

所述图像采集器与所述控制器信号连接，所述控制器根据所述图像采集器采集的光束直径控制所述柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整所述柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。

进一步优选的，还包括第一旋转镜架和第二旋转镜架；

所述柱面凹透镜设置于所述第一旋转镜架上，所述柱面凸透镜设置于所述第二旋转镜架上，所述控制器分别控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架移动以使所述柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置。

进一步优选的，还包括凸透镜，所述凸透镜设置于所述分光镜与所述图像采集器之间，所述凸透镜用于将高斯光束聚焦至所述图像采集器。

进一步优选的，所述图像采集器采集聚焦后的高斯光束的光束直径，所述控制器根据所述图像采集器采集的光束直径计算被分光之前的光束直径，并根据分光之前的光束直径控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架移动。

进一步优选的，所述第一旋转镜架和第二旋转镜架分别沿圆周方向开设有多个一一对应的安装孔，所述第一旋转镜架通过多个所述安装孔安装不同焦距的柱面凹透镜，所述第二旋转镜架通过多个所述安装孔安装不同焦距的柱面凸透镜。

进一步优选的，所述控制器根据所述图像采集器采集的高斯光束的光束直径控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架沿圆周旋转，以选择符合焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜。

进一步优选的，所述光斑缩放透镜组包括一片平凸镜和一片平凹镜，所述平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距与所述鲍威尔透镜相匹配。

进一步优选的，所述鲍威尔透镜的入射光斑直径尺寸为0.8mm，所述鲍威尔透镜的输出光束的短轴尺寸等于所述入射光斑直径尺寸。

进一步优选的，所述分光镜为非偏振分束镜，所述分光镜的R:T为10:90。

本发明还提供一种采用上述的可变尺寸线形光束整形装置的可变尺寸线形光束整形方法，包括步骤：

通过激光器产生激光；

通过准直镜对所述激光进行准直，获得平行光；

通过光斑缩放透镜组将所述平行光缩小至符合要求的尺寸，并通过分光镜分为两束高斯光束，其中，一束高斯光束传输至鲍威尔透镜，另一束高斯光束传输至图像采集器；

根据图像采集器采集的光束直径控制柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整所述柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。

依据上述实施例的可变尺寸线形光束整形装置及整形方法，具有以下至少一项效果：

1)本发明中，只需根据激光器和鲍威尔透镜的不同来合理选择准直透镜和光斑缩放透镜组，只需通过改变柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的焦距来获得符合要求的光斑尺寸，具有更好的适应性。

2)本发明中，由于使用多个透镜对光束进行整形，整形过程是属于折射方式的，相比于衍射方式的光束整形，本方法可以获得较高的能量使用效率。

3)本发明中，由于可以通过旋转可旋转镜架来对柱面凹透镜、柱面凸透镜进行选择配对，从而获得不同尺寸的线形光束，具有更好的适用性。

附图说明

图1为可变尺寸线形光束整形装置光路示意图；

图2为旋转镜架结构示意图；

图3为可变尺寸线形光束整形方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供一种可变尺寸线形光束整形装置，其光路原理图如图1所示，包括控制器1和图像采集器2，还包括沿光路主轴方向依次设置的激光器3、准直镜4、光斑缩放透镜组5、分光镜6、鲍威尔透镜7、柱面凹透镜8、柱面凸透镜9。

其中，激光器3用于产生初始激光，准直镜4对产生的初始激光进行准直，获得平行光；光斑缩放透镜组5将入射平行光缩小成合适尺寸；分光镜将光束分为两束，一束传输至图像采集器2进行观测，另一束继续传输至鲍威尔透镜7进行光束整形，获得长轴较长的线形光束；控制器1根据图像采集器2采集的光束直径控制柱面凹透镜8和柱面凸透镜9移动至目标位置，通过调整柱面凹透镜8和柱面凸透镜9之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸；具体的，通过柱面凹透镜8将线形光束的长轴尺寸根据需要进一步拉长；通过柱面凸透镜9将线形光束的短轴尺寸根据需要缩短，从而可以获得较小的光束有效面积，提高能量密度。

下面对各组成部分进行说明。

图像采集器2为标准工业相机。

激光器3输出的高斯光斑可以是脉冲光信号也可以是连续光信号，激光器3输出的波长根据需求而决定。

光斑缩放透镜组5包括一片平凸镜和一片平凹镜，且该平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距与鲍威尔透镜相匹配，也即是，光斑缩放透镜组5的缩放倍数需要根据实际的激光器3输出光斑尺寸以及鲍威尔透镜7入射光斑要求决定，然后再去确定所使用的平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距，例如，当鲍威尔透镜7确定后，光斑缩放透镜组5由一片平凸镜，焦距为200mm,镜片直径为25.4mm和一片平凹镜,焦距为-50mm,镜片直径为25.4mm组成。

分光镜6为非偏振分束镜，其中，分光镜的反射光与透射光之比R:T为10:90。

鲍威尔透镜7的入射光斑直径尺寸为0.8mm，该鲍威尔透镜7的输出光束的短轴尺寸等于入射光斑直径尺寸。

进一步，为了实现柱面凹透镜和柱面凸透镜的移动，本例还包括第一旋转镜架和第二旋转镜架，柱面凹透镜8设置于第一旋转镜架上，柱面凸透镜9设置于第二旋转镜架上，控制器1分别控制第一旋转镜架和第二旋转镜架移动以使柱面凹透镜8和柱面凸透镜9移动至目标位置；第一旋转镜架和第二旋转镜架结构相同，以其中第一旋转镜架为例说明其结构。

如图2所示，第一旋转镜架包括可旋转架框100、支撑柱200和支撑底座300，其中，可旋转架框100呈圆形结构，可旋转架框100沿圆周方向开设有多个安装孔101，优选的，安装孔101呈方形孔结构(矩形孔)，第一旋转镜架通过多个安装孔101安装不同焦距的柱面凹透镜8；相应的，第二旋转镜架的可旋转架框也沿圆周方向开设有一一对应的安装孔，第二旋转镜架通过多个安装孔安装不同焦距的柱面凸透镜9。

例如，第一旋转镜架和第二旋转镜架上分别开设有4个安装孔，使得第一旋转镜架可以分别安装4种不同焦距的柱面凹透镜8，及第二旋转镜架可以分别安装4种不同焦距的柱面凸透镜9，例如，符合要求尺寸的柱面凹透镜、柱面凸透镜的其中一实例为：柱面凹透镜8的尺寸为长32mm,宽30mm,焦距为-150mm；柱面凸透镜9的尺寸为长32mm,宽30mm,焦距为150mm。

进一步，还包括凸透镜10，凸透镜10设置于分光镜6与图像采集器2之间，凸透镜10用于将高斯光束聚焦至图像采集器2，图像采集器2采集聚焦后的高斯光束的光束直径，控制器1根据图像采集器2的光束直径计算被分光之前的光束直径，并根据分光之前的光束直径控制第一旋转镜架和第二旋转镜架移动。

例如，使用标准工业相机读取聚焦后的光斑尺寸，由于已知凸透镜10的焦距，可以推算出分光之前的光斑尺寸。

进一步，控制器1根据图像采集器2采集的高斯光束的光束直径控制第一旋转镜架和第二旋转镜架沿圆周旋转，以选择符合焦距的柱面凹透镜8和柱面凸透镜9，并自动计算柱面凹透镜8和柱面凸透镜9之间的距离，控制第一旋转镜架和第二旋转镜架移动，使得柱面凹透镜8和柱面凸透镜9移动到相应的目标位置，从而可以获得符合要求的线形光斑尺寸。

具体应用中，可以在第一旋转镜架和第二旋转镜架的可旋转架框的适合位置设置电机，控制器1通过控制电机来控制第一旋转镜架、第二旋转镜架进行圆周方向旋转运动；相应的，还可以在第一旋转镜架和第二旋转镜架的支撑底座的适合位置电机和万向轮，控制器1通过控制电机驱动万向轮以控制第一旋转镜架、第二旋转镜架自动移动，除此之外，也可以通过人工手动操作移动第一旋转镜架、第二旋转镜架。

本实施例提供的可变尺寸线形光束整形装置，通过两个可旋转镜架上分别放置不同焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜且两个可旋转镜架可分别旋转以选择合适的柱面镜对光束进行整形，及通过调整柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，从而获得符合要求的线形光束尺寸。

基于本实施例提供的可变尺寸线形光束整形装置，本实施例还提供一种采用该装置的可变尺寸线形光束整形方法，该整形方法流程图如图3所示，具体包括如下步骤。

S100：通过激光器产生激光。

激光器产生的高斯光斑可以是脉冲光信号也可以是连续光信号，激光器输出的波长根据需求而决定。

S200：通过准直镜对激光进行准直，获得平行光。

S300：通过光斑缩放透镜组将平行光缩小至符合要求的尺寸，并通过分光镜分为两束高斯光束，其中，一束高斯光束传输至鲍威尔透镜，另一束高斯光束传输至图像采集器。

光斑缩放透镜组包括一片平凸镜和一片平凹镜，且该平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距与鲍威尔透镜相匹配，也即是，光斑缩放透镜组的缩放倍数需要根据实际的激光器输出光斑尺寸以及鲍威尔透镜入射光斑要求决定，然后再去确定所使用的平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距，例如，当鲍威尔透镜确定后，光斑缩放透镜组由一片平凸镜，焦距为200mm,镜片直径为25.4mm和一片平凹镜,焦距为-50mm,镜片直径为25.4mm组成。

S400：根据图像采集器采集的光束直径控制柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。

具的，柱面凹透镜设置于第一旋转镜架上，柱面凸透镜设置于第二旋转镜架上，控制器分别控制第一旋转镜架和第二旋转镜架移动以使柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置。

其中，在步骤S400中，控制柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置之前，还包括根据图像采集器采集的高斯光束的光束直径控制第一旋转镜架和第二旋转镜架沿圆周旋转，以选择符合焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜。

具体的，第一旋转镜架和第二旋转镜架上分别开设有4个安装孔，使得第一旋转镜架可以分别安装4种不同焦距的柱面凹透镜，及第二旋转镜架可以分别安装4种不同焦距的柱面凸透镜。例如，符合要求尺寸的柱面凹透镜、柱面凸透镜的其中一实例为：柱面凹透镜的尺寸为长32mm,宽30mm,焦距为-150mm；柱面凸透镜的尺寸为长32mm,宽30mm,焦距为150mm。

控制器根据图像采集器采集的高斯光束的光斑尺寸控制第一旋转镜架和第二旋转镜架沿圆周旋转，以选择符合焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜，并自动计算柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离，控制第一旋转镜架和第二旋转镜架移动，使得柱面凹透镜和柱面凸透镜移动到相应的目标位置，从而可以获得符合要求的线形光斑尺寸。

基于本实施例提供的可变尺寸线形光束整形方法，通过两个可旋转镜架上分别放置不同焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜且两个可旋转镜架可分别旋转以选择合适的柱面镜对光束进行整形，及通过调整柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，从而获得符合要求的线形光束尺寸。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，包括控制器和图像采集器，还包括沿光路主轴方向依次设置的激光器、准直镜、光斑缩放透镜组、分光镜、鲍威尔透镜、柱面凹透镜、柱面凸透镜；

所述柱面凹透镜和柱面凸透镜分别为可移动设置；

所述分光镜用于将线形光束分为两束高斯光束，其中，一束高斯光束传输至所述鲍威尔透镜进行光束整形，另一束高斯光束传输至所述图像采集器；

所述图像采集器与所述控制器信号连接，所述控制器根据所述图像采集器采集的光束直径控制所述柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整所述柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。

2.如权利要求1所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，还包括第一旋转镜架和第二旋转镜架；

所述柱面凹透镜设置于所述第一旋转镜架上，所述柱面凸透镜设置于所述第二旋转镜架上，所述控制器分别控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架移动以使所述柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置。

3.如权利要求2所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，还包括凸透镜，所述凸透镜设置于所述分光镜与所述图像采集器之间，所述凸透镜用于将高斯光束聚焦至所述图像采集器。

4.如权利要求3所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述图像采集器采集聚焦后的高斯光束的光束直径，所述控制器根据所述图像采集器采集的光束直径计算被分光之前的光束直径，并根据分光之前的光束直径控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架移动。

5.如权利要求4所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述第一旋转镜架和第二旋转镜架分别沿圆周方向开设有多个一一对应的安装孔，所述第一旋转镜架通过多个所述安装孔安装不同焦距的柱面凹透镜，所述第二旋转镜架通过多个所述安装孔安装不同焦距的柱面凸透镜。

6.如权利要求5所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述控制器根据所述图像采集器采集的高斯光束的光束直径控制所述第一旋转镜架和第二旋转镜架沿圆周旋转，以选择符合焦距的柱面凹透镜和柱面凸透镜。

7.如权利要求1所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述光斑缩放透镜组包括一片平凸镜和一片平凹镜，所述平凸镜和平凹镜的尺寸及焦距与所述鲍威尔透镜相匹配。

8.如权利要求1所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述鲍威尔透镜的入射光斑直径尺寸为0.8mm，所述鲍威尔透镜的输出光束的短轴尺寸等于所述入射光斑直径尺寸。

9.如权利要求1所述的可变尺寸线形光束整形装置，其特征在于，所述分光镜为非偏振分束镜，所述分光镜的R:T为10:90。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的可变尺寸线形光束整形装置的可变尺寸线形光束整形方法，其特征在于，包括步骤：

通过激光器产生激光；

通过准直镜对所述激光进行准直，获得平行光；

通过光斑缩放透镜组将所述平行光缩小至符合要求的尺寸，并通过分光镜分为两束高斯光束，其中，一束高斯光束传输至鲍威尔透镜，另一束高斯光束传输至图像采集器；

根据图像采集器采集的光束直径控制柱面凹透镜和柱面凸透镜移动至目标位置，通过调整所述柱面凹透镜和柱面凸透镜之间的距离改变线形光束的长轴尺寸和短轴尺寸，以获得符合要求的线形光斑尺寸。

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