CN116047777B - 变倍数均匀激光产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变倍数均匀激光产生装置，包括：安装结构；光源；变焦准直部件，变焦准直部件安装在安装结构上，变焦准直部件包括至少三个同轴设置的透镜阵列；三个透镜阵列之间的距离均可调；光束匀化部件，光束匀化部件安装在安装结构上，光束匀化部件设置在变焦准直部件的光路下游，光束匀化部件包括第一柱面透镜阵列、第二柱面透镜阵列、第三柱面透镜阵列、第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列、第六柱面透镜阵列和傅里叶透镜；第一柱面透镜阵列、第二柱面透镜阵列和第三柱面透镜阵列之间的距离均可调；第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列和第六柱面透镜阵列之间的距离均可调。本发明技术方案能够输出边缘更稳定的均匀激光。

Description

变倍数均匀激光产生装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种变倍数均匀激光产生装置。
背景技术
光束形状和尺寸可调的均匀激光在工业、军事、医疗等领域中有着巨大的应用潜力，可实现钻孔、清洗、退火、增材制造等工艺流程。然而，激光器直接输出的激光通常是不均匀分布的圆形、椭圆形或矩形光束，且光束尺寸不可调节，如半导体激光器一般输出高斯分布的椭圆形光束，准分子激光器一般输出一个方向高斯分布另一个方向近平顶分布的矩形光束。
为满足应用需求，须对激光器输出光束的形状、均匀度和尺寸等参数进行调节，目前，主要的整形方法包括非球面、衍射光学元件、微透镜阵列等，其中，非球面由于严格限制入射光束参数，实际使用中存在精度差的问题；衍射光学元件由于装调要求较高，实际使用中存在无法连续调节的问题，相较于其他方法，微透镜阵列因灵活可调且对入射光束要求不高而应用最广。
传统的基于微透镜阵列的连续可调均匀激光产生装置通常由两组互相垂直的微型柱面透镜阵列和一个傅里叶透镜组成，通过改变每组阵列中第二个阵列的位置，可以分别调节竖直和水平方向的光束尺寸，控制输出均匀光束轮廓为矩形、方形、线形等，但微型柱面透镜阵列在移动过程中往往不能满足成像条件，这使得输出光束的边缘陡度在调节过程中一直发生变化，但对于有较高要求的精密激光加工，光束的边缘陡度是影响加工的重要参数，若边缘陡度在对柱面透镜阵列的调节过程中不断变化，则会使激光加工的精度降低，难以满足精密加工所需的精度。因此，需要设计新装置以输出边缘更稳定的均匀激光。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种变倍数均匀激光产生装置，旨在输出边缘更稳定的均匀激光。
为实现上述目的，本发明提出的变倍数均匀激光产生装置，包括：
安装结构；
光源，所述光源安装在所述安装结构上，所述光源用于产生激光；
变焦准直部件，所述变焦准直部件安装在所述安装结构上，所述变焦准直部件包括至少三个同轴设置的透镜阵列；所述变焦准直部件用于接收所述光源发出的激光，三个所述透镜阵列之间的距离均可调；
光束匀化部件，所述光束匀化部件安装在所述安装结构上，所述光束匀化部件设置在所述变焦准直部件的光路下游，所述光束匀化部件包括从光路上游到光路下游依次排列的，第一柱面透镜阵列、第二柱面透镜阵列、第三柱面透镜阵列、第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列、第六柱面透镜阵列和傅里叶透镜；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列之间的距离均可调；所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列之间的距离均可调；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列中子透镜的延伸方向与所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列中子透镜的延伸方向相互正交。
可选地，所述变焦准直部件包括第一凸透镜阵列、第二透镜阵列和第三透镜阵列；所述第一凸透镜阵列用于接收所述光源发出的激光，所述第二透镜阵列位于所述第一凸透镜阵列的出光侧，所述第三透镜阵列位于所述第二透镜阵列的出光侧；所述第一凸透镜阵列、所述第二透镜阵列和所述第三透镜阵列之间的距离均可调。
可选地，所述第二透镜阵列配置为凹透镜阵列，所述第三透镜阵列配置为第二凸透镜阵列。
可选地，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列和所述第二凸透镜阵列的子透镜均配置为方形透镜。
可选地，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列和所述第二凸透镜阵列的子透镜尺寸为3mm*3mm；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的节距为3mm。
可选地，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列、所述第二凸透镜阵列、所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列、所述第六柱面透镜阵列和所述傅里叶透镜的尺寸均为27mm*27mm。
可选地，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列、所述第二凸透镜阵列、所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的焦距为100mm；所述傅里叶透镜的焦距为150mm。
可选地，所述第一凸透镜阵列的焦距为100mm，所述凹透镜阵列的焦距为40mm，所述第二凸透镜阵列的焦距为50mm，所述第一柱面透镜阵列和所述第四柱面透镜阵列的焦距为150mm，所述第二柱面透镜阵列和所述第五柱面透镜阵列的焦距为80mm，所述第三柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的焦距为100mm；所述傅里叶透镜的焦距为180mm。
可选地，所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列之间满足下式关系，
Figure SMS_1
，其中/>
Figure SMS_2
为所述第一柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure SMS_3
为所述第二柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure SMS_4
为第一柱面透镜阵列和第二柱面透镜阵列之间的距离，/>
Figure SMS_5
为第二柱面透镜阵列和第三柱面透镜阵列之间的距离；
所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列之间满足下式关系，
Figure SMS_6
，其中/>
Figure SMS_7
为所述第四柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure SMS_8
为所述第五柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure SMS_9
为第四柱面透镜阵列和第五柱面透镜阵列之间的距离，/>
Figure SMS_10
为第五柱面透镜阵列和第六柱面透镜阵列之间的距离。
可选地，所述光源产生的激光的波长为248nm；和/或
所述光源产生的激光的束腰为4mm；和/或
所述光源产生的激光的光束质量因子为20。
本发明技术方案中，变焦准直部件包括至少三个同轴设置的透镜阵列，三者之间任意相邻的两者可以构成一等效透镜阵列，该等效透镜阵列的焦点与余下的一个透镜阵列共焦，通过调节阵列间距可以改变等效透镜焦距，从而输出光束尺寸可调的激光束到光束匀化部件；光束匀化部件中，第二柱面透镜阵列和第三柱面透镜阵列可以构成一等效柱面透镜阵列，余下的一个柱面透镜阵列可以设置在该等效柱面透镜阵列的焦面上，这样等效柱面透镜阵列与余下的柱面透镜阵列即满足了成像关系；对于第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列和第六柱面透镜阵列也可以以相同的方式保持上述成像关系；最后经过傅里叶透镜，即可在傅里叶透镜的焦面上输出一激光光斑。由于在激光光斑的成像过程中，第一柱面透镜阵列、第二柱面透镜阵列和第三柱面透镜阵列之间满足成像关系，第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列和第六柱面透镜阵列之间也满足成像关系，因此可以输出边缘稳定的激光光斑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明变倍数均匀激光产生装置一实施例的结构示意图；
图2为图1中实施例的另一视角结构示意图；
图3为图1中实施例的变焦准直部件的作用原理示意图；
图4为图1中实施例的光束匀化部件的作用原理示意图；
图5为本发明变倍数均匀激光产生装置另一实施例的输出光斑数据图；
图6为图5中实施例的另一输出光斑数据图；
图7为本发明变倍数均匀激光产生装置又一实施例的输出光斑数据图；
图8为图7中实施例的另一输出光斑数据图。
附图标号说明：
Figure SMS_11
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种变倍数均匀激光产生装置。
在本发明实施例中，参考图1至图4，该变倍数均匀激光产生装置包括：
安装结构；
光源，光源安装在安装结构上，光源用于产生激光；
变焦准直部件10，变焦准直部件10安装在安装结构上，变焦准直部件10包括至少三个同轴设置的透镜阵列；变焦准直部件10用于接收光源发出的激光，三个透镜阵列之间的距离均可调；
光束匀化部件20，光束匀化部件20安装在安装结构上，光束匀化部件20设置在变焦准直部件10的光路下游，光束匀化部件20包括从光路上游到光路下游依次排列的，第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25、第六柱面透镜阵列26和傅里叶透镜27；第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23之间的距离均可调；第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26之间的距离均可调；第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23中子透镜的延伸方向与第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26中子透镜的延伸方向相互正交。
安装结构用于安装光源、变焦准直部件10和光束匀化部件20，并使得变焦准直部件10和光束匀化部件20中各个透镜阵列之间的位置关系可以调节；调节方式可以是将透镜阵列与安装支架固定，安装支架固定在滑轨上，通过直线丝杆结构驱动安装支架沿滑轨运动，从而带动透镜阵列运动。也可以是将透镜阵列与安装支架固定，安装支架在透镜阵列光轴的周向上设置有螺纹，将安装支架安装在设置有螺纹的管道内，安装支架上的螺纹与管道内螺纹螺纹配合，通过旋转管道带动安装支架运动，从而带动透镜阵列运动，为避免透镜阵列转动，可以令固定的至少两根导向杆穿过安装支架，保证安装支架不转动，从而保证透镜阵列不转动。
变焦准直部件10和光束匀化部件20中的透镜阵列均同轴设置，以提高输出光斑的稳定性。在第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13之间距离调节，第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23之间的距离调节，第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26之间的距离调节的过程中，也需要保证上述透镜阵列同轴设置。
光源可以是各种激光器，例如半导体激光器，气体激光器等。
变焦准直部件10中的变焦功能是指三个透镜阵列中，三者之间任意相邻的两者可以构成一等效透镜阵列，由于该等效透镜阵列由两个透镜阵列组成，因此其等效焦距可以通过该两个透镜阵列之间的距离调节，从而实现变焦；即如图3所示，图3上方与下方为变焦准直部件10的两种状态，两种状态中第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12之间的距离不同，所以第一凸透镜阵列11和凹透镜组成的等效透镜阵列焦距不同，最后配合第二凸透镜阵列13输出的光束尺寸也不同。另外，为调节三个透镜阵列之间的位置关系，可以固定其中一个调节其余两个，也可以三个同时调节；对于第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23之间的位置调节，同样可以通过固定一个透镜阵列，调节其余两个透镜阵列实现；对于第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25、第六柱面透镜阵列26之间的位置调节同理。
变焦准直部件10中的准直功能是指变焦准直部件10能够输出多束与光轴平行的激光束，具体原理如图3所示，图3中第一凸透镜阵列11只示出其一个子透镜，凹透镜阵列12只示出一个与第一凸透镜阵列11示出的子透镜同轴的子透镜，第二凸透镜阵列13也只示出一个与凹透镜阵列12示出的子透镜同轴的子透镜；当激光入射第一凸透镜阵列11，由于激光近似于平面波，因此第一凸透镜阵列11的子透镜对激光有汇聚作用，将原本一束的激光分割成若干份激光束，并入射凹透镜阵列12，最终入射第二凸透镜阵列13，并出射；由于第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13，三者之间任意相邻的两者构成一等效透镜阵列，而余下的一个透镜阵列（可以是第一凸透镜阵列11，也可以是第二凸透镜阵列13）与等效透镜阵列共焦，根据光学原理可知，变焦准直部件10每一输出的子光束均是平行光，且相互平行，即如图1或图2所示的变焦注准直部件各出射光之间的关系。值得注意的是，变焦准直部件10也可以具备四个透镜阵列，例如在上述实施例中，在第二凸透镜阵列13的光路下游再增加一个第三凸透镜阵列，这样第二凸透镜阵列13和第三凸透镜阵列组合成一等效透镜阵列，这样第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12组成的等效透镜与第二凸透镜阵列13和第三凸透镜阵列组合成的等效透镜阵列共焦，也能实现上述功能。类似地，还可以设置更多的透镜阵列实现上述功能。
根据光学原理可知，当平行光经过两共焦透镜，出射光束和入射光束横截面上的尺寸之比等于出射的透镜的焦距和入射的透镜的焦距之比；由于变焦准直部件10中使用两个透镜阵列组合成一个等效透镜阵列，所以该等效透镜阵列的焦距是可变的，即可通过改变两个透镜阵列之间的距离改变等效透镜阵列的焦距，这样就可以改变变焦准直部件10的输出光束和入射光束之间的尺寸，实现变倍数。应当注意的是，此处指的变焦准直部件10的入射光束和出射光束的尺寸之比一般相当于第一凸透镜阵列11的子透镜的尺寸和出射光束横截面上尺寸的比，因为大部分情况下，激光会覆盖整面子透镜，使得入射光在横截面上的尺寸等于子透镜的尺寸。
为实现产生均匀激光光斑的效果，首先，激光入射变焦准直部件10中处于光路最上游的透镜阵列，该透镜阵列的每个子透镜将入射激光分割为若干激光束，每束激光束在之后的光程中独立传播，互不影响，当经过光束匀化部件20后，聚焦在傅里叶透镜27的焦平面上的同一位置。虽然入射激光的均匀性较差，但是由于变焦准直部件10中处于光路最上游的透镜阵列的子透镜尺寸远小于入射激光横截面上的尺寸，因此该透镜阵列的子透镜相当于只截取了入射激光横截面上的一小部分，该部分内部光强均匀性很好，而经过光束匀化部件20后，不同的激光束汇聚到同一处，由于各光束均匀性好，因此合成的激光光斑均匀性也很好，实现了产生均匀的激光光斑的能力。
如图1和图2所示，第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23中子透镜的延伸方向与第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26中子透镜的延伸方向相互正交，设第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23中子透镜的延伸方向为x方向，第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26中子透镜的延伸方向为y方向，则图1为从平行于y方向看去的变倍数均匀激光产生装置结构示意图，而图2为从平行于x方向看去的变倍数均匀激光产生装置结构示意图。由于第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23中子透镜的延伸方向与第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26中子透镜的延伸方向相互正交，因此第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23可以对变焦准直部件10的出射光束在y方向的尺寸进行独立调节；而第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26可以对变焦准直部件10的出射光束在x方向的尺寸进行独立调节。这样可以改变光斑的形状，提高变倍数均匀激光产生装置的应用场景。另外，如图4所示为以第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26与傅里叶透镜27成像的条件关系图，从图中可见，只需要保证第四柱面透镜阵列24在第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26等效透镜的前焦面上即可，与第六柱面透镜阵列26与傅里叶透镜27的距离关系无关，该成像条件同样适用于第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23与傅里叶透镜27的关系，因此第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23对光束的整形并不会影响第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26对光束的整形。
参考图1和图2，可选地，变焦准直部件10包括第一凸透镜阵列11、第二透镜阵列和第三透镜阵列；第一凸透镜阵列11用于接收光源发出的激光，第二透镜阵列位于第一凸透镜阵列11的出光侧，第三透镜阵列位于第二透镜阵列的出光侧；第一凸透镜阵列11、第二透镜阵列和第三透镜阵列之间的距离均可调。使用凸透镜阵列接收光源发出的激光可以使入射激光经过第一凸透镜阵列11后被汇聚，被汇聚后的光束在横截面上的尺寸逐渐减小，因此不会由于光束尺寸超过透镜阵列尺寸而逃逸出透镜阵列的接收范围，提高了对激光的利用率。
参考图1和图2，可选地，第二透镜阵列配置为凹透镜阵列12，第三透镜阵列配置为第二凸透镜阵列13。这样可以使凹透镜阵列12和第一凸透镜阵列11组合成等效透镜阵列，凸透镜阵列和凹透镜阵列12的组合自由度较大，可以提高对光束尺寸的调节范围。
参考图1和图2，可选地，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13的子透镜均配置为方形透镜。子透镜为方形，可以实现子透镜之间的紧密排列，做到透镜阵列接近100％的填充率，从而避免入射激光从子透镜之间的间隙溢出，提高对激光的利用率。
参考图1和图2，可选地，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13的子透镜尺寸为3mm*3mm；第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26的节距为3mm。当子透镜尺寸或柱面透镜的节距过小时，透镜阵列的制造成本会很高；而当子透镜尺寸或柱面透镜的节距过大时，由于对入射激光的分割不够精细，因此在变倍数均匀激光产生装置中传输的子光束本身光强不够均匀，因此最后产生的光斑均匀性也会下降。当子透镜尺寸为3mm*3mm，第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26的节距为3mm时，可以克服上述问题。柱面透镜的节距是柱面透镜子透镜在同时垂直于光轴和子透镜延伸方向的方向上的尺寸，对于子透镜为正圆柱形的柱面透镜阵列，节距等同于子透镜的直径。
参考图1和图2，可选地，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12、第二凸透镜阵列13、第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25、第六柱面透镜阵列26和傅里叶透镜27的尺寸均为27mm*27mm。当各透镜阵列的尺寸过大时，透镜阵列尺寸超过光源产生的激光束的横截面尺寸过多，部分透镜阵列的子透镜接收不到激光，导致这部分子透镜无用，产生浪费；当各透镜阵列尺寸过小时，透镜无法接收到全部来自光源的激光，导致激光无法全部进入变焦准直部件10，导致激光的浪费。而当个透镜阵列的尺寸均为27mm*27mm时，可克服上述缺陷。
参考图1和图2，可选地，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12、第二凸透镜阵列13、第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26的焦距为100mm；傅里叶透镜27的焦距为150mm。另外，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13的子透镜尺寸可以为3mm*3mm；第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12、第二凸透镜阵列13、第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25、第六柱面透镜阵列26和傅里叶透镜27的尺寸可以均为27mm*27mm。光源产生的激光可以是波长248nm、束腰4mm、光束质量因子
Figure SMS_12
为20的高斯激光，该激光参数与市面上常用的高功率紫外激光参数一致。通过自主编程，对激光通过本发明装置的衍射传输过程进行数值模拟，部分输出结果展示于图5和图6，其分别对应I阶段和II阶段x方向光束整形结果。
如图5所示为I阶段，在该阶段令第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12组合透镜的焦距
Figure SMS_13
，此时变焦准直部件10的输出子光束的尺寸与透镜阵列节距相等为
Figure SMS_14
，通过调节光束匀化部件20内各透镜阵列位置得到不同尺寸的均匀光束，图5所示是不同尺寸均匀光束的强度分布，可以看到，均匀光束最大宽度约为9.0mm，最小宽度约为4.7mm，缩放比为/>
Figure SMS_15
，光束的边缘陡度在调节过程中不发生变化，其具体数值可用边缘强度从90%下降到10%对应的过渡区尺寸变化来描述，其值约为0.04mm，光束边缘非常锐利。
如图6所示为II阶段，在该阶段令第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12组合透镜的焦距
Figure SMS_16
，此时变焦准直部件10的输出子光束的尺寸小于透镜阵列节距的一半，即
Figure SMS_17
。从光束强度分布图可以看到，此时，均匀光束的最大宽度约为4.7mm，最小宽度约1mm，缩放比为/>
Figure SMS_18
，光束的边缘陡度在调节过程中不发生变化，其边缘过渡区约为0.6mm，相较于I阶段光束，该阶段光束的边缘更加平滑，但光束尺寸更小，且均匀度随着光束尺寸减小而线性增加，在微精细加工领域更具有优势。
对于上述实施例，装置的总缩放比为
Figure SMS_19
，已满足大多数激光加工光束的调节需求，且利用该装置可以灵活产生边缘锐利、大尺寸光束和边缘平滑的小尺寸光束，输出光束类型可根据需要自行调节，应用范围更广。
另外，通过调节已知焦距的透镜阵列之间的距离，从而组合成预期焦距的等效透镜阵列的方法属于现有技术，例如上述焦距
Figure SMS_20
，其中/>
Figure SMS_21
为第一柱面透镜阵列21的焦距，/>
Figure SMS_22
为凹透镜阵列12的焦距，/>
Figure SMS_23
为第一柱面透镜阵列21和凹透镜阵列12的距离。
参考图1、图2和图4，可选地，第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23之间满足下式关系，
Figure SMS_24
，其中/>
Figure SMS_25
为第一柱面透镜阵列21的焦距，/>
Figure SMS_26
为第二柱面透镜阵列22的焦距，/>
Figure SMS_27
为第一柱面透镜阵列21和第二柱面透镜阵列22之间的距离，/>
Figure SMS_28
为第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23之间的距离；
第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26之间满足下式关系，
Figure SMS_29
，其中/>
Figure SMS_30
为第四柱面透镜阵列24的焦距，/>
Figure SMS_31
为第五柱面透镜阵列25的焦距，/>
Figure SMS_32
为第四柱面透镜阵列24和第五柱面透镜阵列25之间的距离，/>
Figure SMS_33
为第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26之间的距离。
对于在第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23中传播的子光束来说，当三个透镜阵列之间满足关系
Figure SMS_34
时，可以保证各子光束之间不发生交叠；而对于在第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26中传播的子光束来说，当三个透镜阵列之间满足关系/>
Figure SMS_35
时，可以保证各子光束之间不发生交叠。因此当第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26满足上述关系时，能够避免个子光束之间相互干扰，提高成像效果。
参考图1和图2，可选地，第一凸透镜阵列11的焦距为100mm，凹透镜阵列12的焦距为40mm，第二凸透镜阵列13的焦距为50mm，第一柱面透镜阵列21和第四柱面透镜阵列24的焦距为150mm，第二柱面透镜阵列22和第五柱面透镜阵列25的焦距为80mm，第三柱面透镜阵列23和第六柱面透镜阵列26的焦距为100mm，傅里叶透镜27的焦距为180mm。此外，第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12和第二凸透镜阵列13的子透镜尺寸可以为3mm*3mm；第一凸透镜阵列11、凹透镜阵列12、第二凸透镜阵列13、第一柱面透镜阵列21、第二柱面透镜阵列22、第三柱面透镜阵列23、第四柱面透镜阵列24、第五柱面透镜阵列25、第六柱面透镜阵列26和傅里叶透镜27的尺寸可以均为27mm*27mm。光源产生的激光可以是波长248nm、束腰4mm、光束质量因子
Figure SMS_36
为20的高斯激光。第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23组成一个等效透镜阵列，并使等效透镜阵列始终对第一柱面透镜阵列21成像（即第一柱面透镜阵列21处于等效透镜阵列的前焦面上），通过移动第二柱面透镜阵列22和第三柱面透镜阵列23调节y方向匀化光束尺寸；第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26组成一个等效透镜阵列，并使等效透镜阵列始终对第四柱面透镜阵列24成像，通过移动第五柱面透镜阵列25和第六柱面透镜阵列26调节x方向匀化光束尺寸。
应用上述实施例，得到x方向光束整形部分结果展示于图7和图8：
如图7所示为第III阶段，在该阶段令第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12组合透镜的焦距
Figure SMS_37
，此时变焦准直部件10的输出子光束的尺寸与阵列节距相等为
Figure SMS_38
，均匀光束最大宽度约为12.2mm，最小宽度约为5.5mm，缩放比为/>
Figure SMS_39
，边缘强度从90%下降到10%对应的过渡区尺寸变化约为0.06mm，光束边缘非常锐利。
如图8所示为第IV阶段，在该阶段，令第一凸透镜阵列11和凹透镜阵列12组合透镜的焦距
Figure SMS_40
，此时变焦准直部件10的输出子光束的尺寸小于透镜阵列节距的一半，即/>
Figure SMS_41
，均匀光束的最大宽度约为5.5mm，最小宽度约1mm，缩放比为/>
Figure SMS_42
，光束的边缘陡度在调节过程中不发生变化，其边缘过渡区约为0.6mm，相较于III阶段光束，该阶段光束的边缘更加平滑，但光束尺寸更小，且均匀度随着光束尺寸减小而线性增加，在微精细加工领域更具有优势。
对于上述实施例，装置的总缩放比为
Figure SMS_43
。
可选地，光源产生的激光的波长为248nm；和/或
光源产生的激光的束腰为4mm；和/或
光源产生的激光的光束质量因子为20。
上述激光参数与市面上常用的高功率紫外激光参数一致，因此可以直接利用市面上的高功率紫外激光器作为光源，降低成本。
图5至图8中横坐标表示x方向的坐标，单位是mm；纵轴是归一化光强，单位是a.u.（Absorbance Unit，吸光度单位）。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，包括：
安装结构；
光源，所述光源安装在所述安装结构上，所述光源用于产生激光；
变焦准直部件，所述变焦准直部件安装在所述安装结构上，所述变焦准直部件包括由三个同轴设置的透镜阵列组成；所述变焦准直部件用于接收所述光源发出的激光，三个所述透镜阵列之间的距离均可调；
光束匀化部件，所述光束匀化部件安装在所述安装结构上，所述光束匀化部件设置在所述变焦准直部件的光路下游，所述光束匀化部件由从光路上游到光路下游依次排列的，第一柱面透镜阵列、第二柱面透镜阵列、第三柱面透镜阵列、第四柱面透镜阵列、第五柱面透镜阵列、第六柱面透镜阵列和傅里叶透镜组成；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列之间的距离均可调；所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列之间的距离均可调；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列中子透镜的延伸方向与所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列中子透镜的延伸方向相互正交；
所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列和所述第三柱面透镜阵列之间满足下式关系，
Figure QLYQS_1
，其中/>
Figure QLYQS_2
为所述第一柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure QLYQS_3
为所述第二柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure QLYQS_4
为第一柱面透镜阵列和第二柱面透镜阵列之间的距离，/>
Figure QLYQS_5
为第二柱面透镜阵列和第三柱面透镜阵列之间的距离；
所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列之间满足下式关系，
Figure QLYQS_6
，其中/>
Figure QLYQS_7
为所述第四柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure QLYQS_8
为所述第五柱面透镜阵列的焦距，/>
Figure QLYQS_9
为第四柱面透镜阵列和第五柱面透镜阵列之间的距离，/>
Figure QLYQS_10
为第五柱面透镜阵列和第六柱面透镜阵列之间的距离。
2.如权利要求1所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述变焦准直部件由第一凸透镜阵列、第二透镜阵列和第三透镜阵列组成；所述第一凸透镜阵列用于接收所述光源发出的激光，所述第二透镜阵列位于所述第一凸透镜阵列的出光侧，所述第三透镜阵列位于所述第二透镜阵列的出光侧；所述第一凸透镜阵列、所述第二透镜阵列和所述第三透镜阵列之间的距离均可调。
3.如权利要求2所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第二透镜阵列配置为凹透镜阵列，所述第三透镜阵列配置为第二凸透镜阵列。
4.如权利要求3所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列和所述第二凸透镜阵列的子透镜均配置为方形透镜。
5.如权利要求4所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列和所述第二凸透镜阵列的子透镜尺寸为3mm*3mm；所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的节距为3mm。
6.如权利要求3所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列、所述第二凸透镜阵列、所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列、所述第六柱面透镜阵列和所述傅里叶透镜的尺寸均为27mm*27mm。
7.如权利要求3所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第一凸透镜阵列、所述凹透镜阵列、所述第二凸透镜阵列、所述第一柱面透镜阵列、所述第二柱面透镜阵列、所述第三柱面透镜阵列、所述第四柱面透镜阵列、所述第五柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的焦距为100mm；所述傅里叶透镜的焦距为150mm。
8.如权利要求3所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述第一凸透镜阵列的焦距为100mm，所述凹透镜阵列的焦距为40mm，所述第二凸透镜阵列的焦距为50mm，所述第一柱面透镜阵列和所述第四柱面透镜阵列的焦距为150mm，所述第二柱面透镜阵列和所述第五柱面透镜阵列的焦距为80mm，所述第三柱面透镜阵列和所述第六柱面透镜阵列的焦距为100mm；所述傅里叶透镜的焦距为180mm。
9.如权利要求1所述的变倍数均匀激光产生装置，其特征在于，所述光源产生的激光的波长为248nm；和/或
所述光源产生的激光的束腰为4mm；和/或
所述光源产生的激光的光束质量因子为20。
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