CN115826254B - 一种平顶光束调制方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平顶光束调制方法、系统及存储介质，包括：激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。本发明解决了现有平顶光束调制质量差的问题。

Description

一种平顶光束调制方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及光束调制技术领域，尤其涉及一种平顶光束调制方法、系统及存储介质。

背景技术

平顶光束是一种在光斑范围内拥有均匀光强分布的一种光束形貌，相比于高斯光束可以避免因光斑范围内局部能量过高而破坏制造精度或材料性能。为了获得高的制造精度和质量，平顶光束被广泛应用于各类激光制造技术中。例如在激光选区烧结3D打印中，利用平顶光束进行加工可以有效解决高斯光束制造过程中存在的不均匀加热和低烧结成形效率等问题；在激光打孔中，平顶光束相比于高斯光束可以有效减小热影响区域、重铸层以及获得较小的孔的锥度。然而激光器输出光束的光强分布多为高斯分布，常需要一种光束整形设备来将高斯光束整形为平顶光束。

现在的平顶光束整形方法有非球面透镜法、衍射光学元件法、液晶空间光调制法、超表面和超材料法等。其中，非球面透镜法相比于其他整形方法，拥有高整形效率、高能量转换效率以及结构简单等特征，因此在平顶光束整形领域中得到了广泛的应用和研究。在非球面透镜系统中，高斯光束到平顶光束的整形原理为基于边缘光线理论和能量守恒定律，通过设计自由非球面面型以实现入射高斯光束到平顶光束之间的坐标映射关系，从而实现光束能量分布的转换。然而，非球面透镜虽可以高效地将高斯光束整形为平顶光束，但由于其系统中的非球面面型与入射光束直径和波长有关，从而使得固定非球面透镜组对入射高斯光束有着较高的要求。并且由于制造技术的限制，非球面透镜在制造过程中存在加工难度大、精度差、成本高的问题，使得利用非球面透镜调制平顶光束的质量难以得到保证。

发明内容

本发明提供一种平顶光束调制方法、系统及存储介质，用以解决现有平顶光束调制质量差的问题。

本发明提供一种平顶光束调制方法，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

根据本发明提供的一种平顶光束调制方法，所述激光扩束系统之前同轴设置有激光光束前处理系统和激光器，所述激光光束前处理系统入光侧用于接收所述激光器发出的激光光束；

所述激光光束前处理系统包括依次设置的激光光强调控、时域空域相位调制和光束准直功能模块，完成激光光束的前序处理。

根据本发明提供的一种平顶光束调制方法，所述激光扩束系统将入射高斯光束扩束至满足，其中为入射高斯光束经过激光扩束结构后的束腰直径，为调制结构的最大通光孔径。

根据本发明提供的一种平顶光束调制方法，所述光束能量调制系统沿着光轴由入光侧至出光侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜与第二透镜均为球面平凸透镜，具有正焦距；

所述第三透镜与第四透镜均为球面平凹透镜，具有负焦距。

根据本发明提供的一种平顶光束调制方法，所述激光聚焦系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，所述激光聚焦系统入光侧用于接收进行能量调制后的激光光束，且所述激光聚焦系统焦距满足聚焦位置要求以及聚焦光斑大小要求。

根据本发明提供的一种平顶光束调制方法，所述激光聚焦系统的入光侧或出光侧设置有光束偏转扫描系统；

所述光束偏转扫描系统包括激光扫描振镜和激光扫描转镜，通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统；

所述光束偏转扫描系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，与所述激光聚焦系统一起接收进行能量调制后的激光光束。

本发明还提供一种平顶光束调制系统，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

扩束模块，用于所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

能量调制模块，用于所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

聚焦模块，用于所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述平顶光束调制方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述平顶光束调制方法。

本发明提供的一种平顶光束调制方法、系统及存储介质，通过使用球面透镜组合来实现平顶激光光束的调制，其中球面透镜属于透射式透镜，相比于其他的衍射光学元件式等调制方法拥有较高的能量转换效率；其次球面透镜相比于现有的透射式平顶光束调制系统中的非球面透镜，拥有加工技术成熟、加工精度高等特点，可以有效解决非球面透镜中因面型误差导致的平顶光束能量分布不均等调制质量问题；再次，本发明通过球面透镜组合实现平顶光束的调制，在调制过程中可通过调整各透镜光学元件之间的相对距离实现对不同束腰直径和不同波长入射激光的平顶光束调制；最后，本发明中光束能量调制系统输出光束为准直光束，可以实现远距离传输以满足大幅面激光扫描的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，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是本发明提供的一种平顶光束调制方法的流程示意图之一；

图2是本发明提供的一种平顶光束调制方法的流程示意图之二；

图3是本发明提供的一种平顶光束调制系统的模块连接示意图；

图4是本发明提供的一种平顶光束调制系统实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的光束能量调制系统的结构示意图；

图6是本发明提供的一种平顶光束调制系统在不同束腰直径和不同波长的入射高斯光束下的输出光强仿真分析结果

图7是本发明提供的另一种平顶光束调制系统在不同束腰直径和不同波长的入射高斯光束下的输出光强仿真分析结果

图8是本发明提供的电子设备的结构示意图。

附图标记：

1：光束能量调制系统；11：光束能量调制系统第一透镜；12：光束能量调制系统第二透镜；13：光束能量调制系统第三透镜；14：光束能量调制系统第四透镜；2：激光聚焦系统；

110：扩束模块；120：能量调制模块；130：聚焦模块；

810：处理器；820：通信接口；830：存储器；840：通信总线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。

下面结合图1-图2描述本发明的一种平顶光束调制方法，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

S100、所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

S200、所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

S300、所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

本发明中通过使用球面透镜组合来实现平顶激光光束的调制，其中球面透镜属于透射式透镜，相比于其他的衍射光学元件式等调制方法拥有较高的能量转换效率。

激光扩束系统之前同轴设置有激光光束前处理系统和激光器，所述激光光束前处理系统入光侧用于接收所述激光器发出的激光光束；

所述激光器出射激光为基模高斯光束；

所述激光光束前处理系统包括依次设置的激光光强调控、时域空域相位调制和光束准直功能模块，完成激光光束的前序处理。

参考图4和图5，本发明中，激光器与激光光束前处理系统依次同轴设置，激光器在激光光束前处理系统的入光侧，向激光光束前处理系统发射激光光束。激光光束前处理系统包括激光光强衰减、相位调控和激光光束准直功能模块，所述激光光强衰减、所述相位调控和所述激光光束准直功能从入光侧至出光侧依次设置。

激光扩束系统将入射高斯光束扩束至满足，其中为入射高斯光束经过激光扩束结构后的束腰直径，为调制结构的最大通光孔径。通过激光扩束系统将入射的高斯光束完成扩束。

所述光束能量调制系统1沿着光轴由物侧至像侧依序包括第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14；

其中第一透镜11与第二透镜12均为球面平凸透镜，具有正焦距；

其中第三透镜13与第四透镜14均为球面平凹透镜，具有负焦距

当入射光束波长发生变化时，所述光束能量调制系统中第三透镜和第四透镜相对于第二透镜的位置固定。利用调整光束能量调制系统中光学元件之间的相对位置可使得该系统对不同束腰半径和不同波长的入射光束实现平顶光束的调控。在不同束腰半径和不同波长的入射光束下，利用该平顶光束调制系统所获得的出射光束的径向光强分布分别如图6和图7所示。

激光聚焦系统2与所述光束能量调制系统依次同轴设置，所述激光聚焦系统2入光侧用于接收进行能量调制后的激光光束，且所述激光聚焦系统2焦距 f应满足聚焦位置要求以及聚焦光斑大小要求。

S101、激光聚焦系统的入光侧或出光侧设置有光束偏转扫描系统；

S102、所述光束偏转扫描系统包括激光扫描振镜和激光扫描转镜，通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统；

S103、所述光束偏转扫描系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，与所述激光聚焦系统一起接收进行能量调制后的激光光束。

在本发明的优选实施例中，还包括光束偏转扫描系统，所述光束偏转扫描系统包括但不限于激光扫描振镜、激光扫描转镜等通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统，所述光束偏转扫描系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，与所述激光聚焦系统一起接收进行能量调制后的激光光束，并且位于所述激光聚焦系统入光侧和出光侧均可。

本发明平顶光束调制系统中，通过使用球面透镜组合来实现平顶激光光束的调制，其中球面透镜属于透射式透镜，相比于其他的衍射光学元件式等调制方法拥有较高的能量转换效率；

使用球面透镜来实现平顶激光光束的调制，其中球面透镜相比于现有的透射式平顶光束调制系统中的非球面透镜，拥有加工技术成熟、加工精度高等特点，可以有效解决非球面透镜中因面型误差导致的平顶光束能量分布不均等调制质量问题；

通过球面透镜组合实现平顶光束的调制，在光束调制过程中可通过调整各透镜光学元件之间的相对距离实现对不同束腰直径和不同波长入射激光光束的平顶光束调制；

光束能量调制系统输出光束为准直光束，可满足实现远距离传输要求从而符合应用于大幅面激光扫描的应用场景。

参考图3，本发明还公开了一种平顶光束调制系统，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

扩束模块110，用于所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

能量调制模块120，用于所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

聚焦模块130，用于所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

其中，扩束系统将入射高斯光束扩束至满足，其中为入射高斯光束经过激光扩束结构后的束腰直径，为调制结构的最大通光孔径。

激光扩束系统之前同轴设置有激光光束前处理系统和激光器，所述激光光束前处理系统入光侧用于接收所述激光器发出的激光光束；

所述激光器出射激光为基模高斯光束；

所述激光光束前处理系统包括依次设置的激光光强调控、时域空域相位调制和光束准直功能模块，完成激光光束的前序处理。

能量调制模块，通过光束能量调制系统沿着光轴由入光侧至出光侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜与第二透镜均为球面平凸透镜，具有正焦距；

所述第三透镜与第四透镜均为球面平凹透镜，具有负焦距。

聚焦模块，通过激光聚焦系统的入光侧或出光侧设置有光束偏转扫描系统；

所述光束偏转扫描系统包括激光扫描振镜和激光扫描转镜，通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统；

所述光束偏转扫描系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，与所述激光聚焦系统一起接收进行能量调制后的激光光束。

本系统还设置有激光聚焦系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，所述激光聚焦系统入光侧用于接收进行能量调制后的激光光束，且所述激光聚焦系统焦距满足聚焦位置要求以及聚焦光斑大小要求。

本发明提供的一种平顶光束调制系统，通过使用球面透镜组合来实现平顶激光光束的调制，其中球面透镜属于透射式透镜，相比于其他的衍射光学元件式等调制方法拥有较高的能量转换效率；其次球面透镜相比于现有的透射式平顶光束调制系统中的非球面透镜，拥有加工技术成熟、加工精度高等特点，可以有效解决非球面透镜中因面型误差导致的平顶光束能量分布不均等调制质量问题；再次，本发明通过球面透镜组合实现平顶光束的调制，在调制过程中可通过调整各透镜光学元件之间的相对距离实现对不同束腰直径和不同波长入射激光的平顶光束调制；最后，本发明中光束能量调制系统输出光束为准直光束，可以实现远距离传输以满足大幅面激光扫描的应用场景。

图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行一种平顶光束调制方法，该方法包括：激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的一种平顶光束调制方法，该方法包括：激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的一种平顶光束调制方法，该方法包括：激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种平顶光束调制方法，其特征在于，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

所述光束能量调制系统沿着光轴由入光侧至出光侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜与第二透镜均为球面平凸透镜，具有正焦距；

所述第三透镜与第四透镜均为球面平凹透镜，具有负焦距；

调整光束能量调制系统中光学元件之间的相对位置可使得系统对不同束腰半径和不同波长的入射光束实现平顶光束的调控；

所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

2.根据权利要求1所述的平顶光束调制方法，其特征在于，所述激光扩束系统之前同轴设置有激光光束前处理系统和激光器，所述激光光束前处理系统入光侧用于接收所述激光器发出的激光光束；

所述激光光束前处理系统包括依次设置的激光光强调控、时域空域相位调制和光束准直功能模块，完成激光光束的前序处理。

3.根据权利要求1所述的平顶光束调制方法，其特征在于，所述激光扩束系统将入射高斯光束扩束至满足，其中为入射高斯光束经过激光扩束结构后的束腰直径，为调制结构的最大通光孔径。

4.根据权利要求1所述的平顶光束调制方法，其特征在于，所述激光聚焦系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，所述激光聚焦系统入光侧用于接收进行能量调制后的激光光束，且所述激光聚焦系统焦距满足聚焦位置要求以及聚焦光斑大小要求。

5.根据权利要求1所述的平顶光束调制方法，其特征在于，所述激光聚焦系统的入光侧或出光侧设置有光束偏转扫描系统；

所述光束偏转扫描系统包括激光扫描振镜和激光扫描转镜，通过改变激光光束方位角实现激光光斑相对于材料表面快速扫描的相关系统；

所述光束偏转扫描系统与所述光束能量调制系统依次同轴设置，与所述激光聚焦系统一起接收进行能量调制后的激光光束。

6.一种平顶光束调制系统，其特征在于，包括：

激光扩束系统、光束能量调制系统和激光聚焦系统；

扩束模块，用于所述激光扩束系统将入射激光光束束腰扩束至满足球面透镜像差调节的范围；

能量调制模块，用于所述光束能量调制系统通过球面透镜对入射光束能量重新分配，并通过不同焦距的球面透镜组合可实现由高斯光束能量分布向目标能量分布的调制；

光束能量调制系统沿着光轴由入光侧至出光侧依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜与第二透镜均为球面平凸透镜，具有正焦距；

所述第三透镜与第四透镜均为球面平凹透镜，具有负焦距；

调整光束能量调制系统中光学元件之间的相对位置可使得系统对不同束腰半径和不同波长的入射光束实现平顶光束的调控；

聚焦模块，用于所述激光聚焦系统对调制后的准直光束进行聚焦，在聚焦区域可获得平顶光束。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述平顶光束调制方法。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述平顶光束调制方法。

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