CN116540415A - 光束整形方法及光束整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种光束整形方法及光束整形装置，光束整形方法包括：通过变倍扩束镜对高斯光束进行扩束准直；准直后高斯光束以光束整形器上的预对准标记为目标，垂直射入光束整形器中；在光路的传输方向上设置光斑分析仪，通过光斑分析仪获取光斑图像、X轴能量曲线和Y轴能量曲线；调节变倍扩束镜的倍率和/或光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置；以光斑的中心到对应轴的法线作为对称轴，任意对称两点间的差值小于预设值时，调试完成。本申请中根据光斑图像调节变倍扩束镜的倍率，达到光束整形器的入射光斑要求，根据X轴能量曲线和Y轴能量曲线调节光束整形器的位置，得到能量分布均匀的平顶光斑，完成整形。

Description

光束整形方法及光束整形装置

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，特别是涉及一种光束整形方法及光束整形装置。

背景技术

一般情况下，激光器输出的光束为高斯光束，高斯光束的横截面呈高斯型函数分布，随着激光加工效果的要求的提高，实际应用场景中，发明人发现，若直接将高斯光束进行射出加工，加工过程中由于高斯光能量分布不均匀，会导致加工材料在光斑照射区域会受热不均，影响加工效果，因而上述场景的问题亟待解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有对加工材料表面进行激光加工时存在光斑照射区域受热不均，影响加工效果的问题，提供一种光束整形方法及光束整形装置。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种光束整形方法，包括：

通过变倍扩束镜对激光器发出的高斯光束进行扩束准直；

以光束整形器上的预对准标记为目标，将扩束准直后的高斯光束垂直射入所述光束整形器中；

基于光路的传输方向上设置的光斑分析仪，将经过所述光束整形器后的高斯光束投射在所述光斑分析仪上，通过所述光斑分析仪获取光斑的图像、X轴能量曲线和Y轴能量曲线；

调节所述变倍扩束镜的倍率和/或所述光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置；

以所述光斑的中心到对应轴的法线作为对称轴，当X轴能量曲线和Y轴能量曲线上，任意对称两点间的差值小于第一预设值，且最高点能量值与最低点能量值之间的距离小于第二预设值时，所述光束整形完成。

可选地，所述高斯光束的光束质量因子M²＜1.4。

可选地，所述以光束整形器上的预对准标记为目标，将扩束准直后的高斯光束垂直射入所述光束整形器中，具体包括：

所述预对准标记设置在所述光束整形器的入射端上，调整所述光束整形器，使所述高斯光束的光束中心射入到预对准标记的中心处。

可选地，所述预对准标记为方形或者圆形，所述预对准标记的标记范围大于所述光束整形器的入射光束的通过范围。

可选地，所述变倍扩束镜对高斯光束进行扩束准直，具体包括：

通过所述光斑分析仪获取所述光斑的能量中心坐标值，将所述能量中心坐标值作为第一坐标值；

调节所述变倍扩束镜的倍率，获取第二坐标值；

当所述第一坐标值和所述第二坐标值的距离值在预设范围内时，所述高斯光束的扩束准直完成。

可选地，在所述光束整形完成后，所述光束整形方法还包括：

采用激光在测试材料上打出平顶光斑；

对所述测试材料进行切片，测量所述测试材料上的光斑深度、第一光斑宽度以及二分之一光斑深度处的第二光斑宽度；

分别计算所述光斑深度与所述第一光斑宽度的比值，所述第二光斑宽度与所述第一光斑宽度的比值，以检测平顶效果。

可选地，所述光斑深度与所述第一光斑宽度的比值为0.5～1，所述第二光斑宽度与所述第一光斑宽度的比值为0.8～1。

可选地，射入到所述光束整形器的光束直径为5～10mm，真圆度大于或等于 90％。

可选地，所述变倍扩束镜的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍，所述光束整形器的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍。

可选地，所述变倍扩束镜的倍率为1.0～2.0倍。

另一方面，本发明实施例提供一种光束整形装置，基于如前所述的光束整形方法，光束整形装置包括用于调节所述变倍扩束镜的倍率的第一调节架和用于调节所述光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置的第二调节架，所述变倍扩束镜安装在所述第一调节架，所述光束整形器安装在所述第二调节架。

本申请中，通过高斯光束对准着预对准标记射入光束整形器，实现高斯光束中心与预对准标记的粗调对准，光束射入光斑分析仪后，光斑分析仪能采集光斑以获取光斑图像、X轴能量曲线和Y轴能量曲线，根据光斑图像以及光斑分析仪采集的数据来调节变倍扩束镜的倍率，以达到光束整形器需求的入射光斑大小，调节好变倍扩束镜后，根据X轴能量曲线和Y轴能量曲线来调节光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置，如此可使得经过光束整形器整形后的平顶光斑不会出现X方向和Y方向上能量的倾斜，从而得到能量分布均匀的平顶光斑，该种方式完成高斯光束的整形，可使得加工材料表面的加工光束分布均匀，受热均匀，从而提高对加工材料的加工效率和加工效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一实施例提供的光束整形方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的光束整形器的入射光束偏离预对准标记时的光斑示意图；

图3是本发明一实施例提供的入射光斑直径过大的光斑示意图；

图4是本发明一实施例提供的入射光斑直径过小的光斑示意图；

图5是本发明一实施例提供的光束的真圆度偏小时的光斑示意图；

图6是本发明一实施例提供的偏离平顶位时的光斑示意图；

图7是本发明一实施例提供的高斯光束的光斑示意图；

图8是本发明一实施例提供的平顶光的光斑示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在一个实施例中，如图1所示，本发明提供的一种光束整形方法，包括：

S10：通过变倍扩束镜对激光器发出的高斯光束进行扩束准直，以得到扩束准直后的高斯光束。

S20：以光束整形器上的预对准标记为目标，将扩束准直后的高斯光束垂直射入所述光束整形器中，光束整形器能够对高斯光束整形得到平顶光束，以得到光束整形器后的高斯光束。

S30：基于光路的传输方向上设置的光斑分析仪，将经过所述光束整形器后的高斯光束投射在所述光斑分析仪上，通过所述光斑分析仪获取光斑的图像、X 轴能量曲线和Y轴能量曲线。

S40：调节所述变倍扩束镜的倍率和/或所述光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置。

S50：以所述光斑的中心到对应轴的法线作为对称轴，当X轴能量曲线和Y 轴能量曲线上，任意对称两点间的差值小于第一预设值，且最高点能量值与最低点能量值之间的距离小于第二预设值时，所述光束整形完成。

本申请中，在光束整形器上设置预对准标记，高斯光束对准着预对准标记射入，实现高斯光束中心与预对准标记的粗调对准，光束经过光束整形器后射入光斑分析仪，光斑分析仪能采集光斑以获取光斑图像、X轴能量曲线和Y轴能量曲线，根据光斑图像以及光斑分析仪采集的数据来调节变倍扩束镜的倍率，以达到光束整形器需求的入射光斑大小，调节好变倍扩束镜后，根据X轴能量曲线和Y轴能量曲线来调节光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置，如此可使得经过光束整形器整形后的平顶光斑不会出现X方向和Y方向上能量的倾斜，从而得到能量分布均匀的平顶光斑，该种方式完成高斯光束的整形，可使得加工材料表面的加工光束分布均匀和受热均匀，从而提高对加工材料的加工效率。

在一实施例中，步骤S10中，激光器发射出光束为高斯光束，如图7所示，为高斯光束的光斑示意图，变倍扩束镜能够对光束进行准直和指向性调节，使得调节后的光束能量分布集中，提高变倍扩束镜的调节精度。

在一实施例中，高斯光束的光束质量因子M²＜1.4。光束质量是激光的一项重要参数，M²因子能较好地反映光束质量的实质，经实际应用，在上述范围内的光束质量因子，经过光束整形器整形后，平顶光束具有较好的平顶效果。

在一实施例中，通过变倍扩束镜对高斯光束进行扩束准直，具体操作包括：

通过光斑分析仪获取光斑的能量中心坐标值，将所述能量中心坐标值作为第一坐标值；

调节所述变倍扩束镜的倍率，获取第二坐标值；

当所述第一坐标值和所述第二坐标值的距离值在预设范围内时，高斯光束的扩束准直完成。

变倍扩束镜为常规结构，光斑分析仪能够采集光斑的能量中心的坐标值，将初始值记为第一坐标值，改变变倍扩束镜的倍率，获得光斑能量中心的第二坐标值，第一坐标值和所述第二坐标值的距离值为偏差值，此偏差值为变倍扩束镜的指向偏差，距离值越小，变倍扩束镜的指向偏差越小。距离值在偏差值的预设范围内时，完成准直和指向性调试，距离值不在偏差值的预设范围内时，调节变倍扩束镜的输出镜的位置，获得第三坐标值，当第三坐标值与第一坐标值的距离值在预设范围内时，调试完成，对光束的同轴度和能量分布进行了调试。

准直调节时，需要保证变倍扩束镜光轴良好，能够避免像差的增加，像差的增加会导致整形后的平顶光的质量变差。

优选地，变倍扩束镜安装在一个四维调节架上，通过四维调节架来调节变倍扩束镜的输出镜的位置，以改变变倍扩束镜的倍率。

在一实施例中，偏差值的预设范围为0～100μm，当然，此处的预设范围为优选的范围，但并不限定其必须为该范围，偏差值的预设范围可以根据变倍扩束镜的倍率进行确定。

在一实施例中，步骤S20中，预对准标记设置在所述光束整形器的入射端上，变倍扩束镜准直和指向性调试完成后，保持不动，调整光束整形器的位置，使穿过变倍扩束镜的高斯光束的光束中心垂直射入到预对准标记的中心处，实现高斯光束与光束整形器的粗对准调节。优选地，光束整形器安装在另一个四维调节架上，通过四维调节架上的X方向螺母调节光束整形器在X方向上的位置，能够改变光斑在X方向上的能量分布，通过Y方向螺母调节光束整形器在Y方向上的位置，能够改变光斑在Y方向上的能量分布。

在一实施例中，所述预对准标记为方形或者圆形，预对准标记的标记范围大于光束整形器的入射光束的通过范围，入射光束的光束中心应调整到正方形或者圆形的中心。

在一实施例中，射入到光束整形器的光束直径为5～10mm，光束直径的公差为-10％～10％，光束整形器采集的入射光斑的直径为5～10mm，光束的真圆度大于或等于90％。光束的真圆度由激光器决定，真圆度偏小时会造成平顶光斑在 X方向和Y方向能量的分布不均匀，导致整形效果变差，可以通过调节激光器内部的发射光斑，使真圆度达到要求。

在一实施例中，步骤S30中，在光路上，光斑分析仪设置在光束整形器后方，即，激光器发射的光束依次通过变倍扩束镜、光束整形器后射入光斑分析仪上，在光斑分析仪上呈现出光斑图像，X轴能量曲线和Y轴能量曲线。

通过X轴能量曲线能够看出光斑在X方向上的能量分布，X方向上能量出现偏差时，X轴能量曲线上具体的表现为出现突出的峰，以光斑的中心到X轴的法线作为对称轴，如果光斑在X轴方向上的能量集中在光斑中心，峰出现在距离对称轴较近的位置，如果光斑在X轴方向上能量集中在光斑的外圈，峰出现在距离对称轴较远的位置。

同样地，通过Y轴能量曲线能够看出光斑在Y方向上的能量分布，Y方向上能量出现偏差时，Y轴能量曲线上具体的表现为出现突出的峰，以光斑的中心到Y轴的法线作为对称轴，如果光斑在Y轴方向的能量集中在光斑中心，峰出现在距离对称轴较近的位置，如果光斑在Y轴方向的能量集中在光斑的外圈，峰出现在距离对称轴较远的位置。

在一实施例中，可以距离对称轴400μm的位置作为分界，X轴方向上或Y 轴方向上，峰出现在距离对称轴400μm的范围内时，表明能量集中在光斑中心，峰不在距离对称轴400μm的范围内时，表明能量集中在光斑外圈。

在一实施例中，步骤S40中，影响平顶光质量的有：光束整形器的入射光束偏离预对准标记，入射光斑直径过大或者过小以及光束路径上的光学器件的有效孔径，当出现上述情况时，需要调节变倍扩束镜的倍率和/或调节光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置，以调整光斑的能量分布，获得能量分布均匀的平顶光，如图8所示为平顶光的光斑示意图。

具体地，如图2所示，光束整形器的入射光束偏离预对准标记时，入射光束与光束整形器中心的两个方向(X方向和Y方向)都会出现偏差，导致平顶光光斑的能量在两个方向上均出现倾斜，此时，需要通过四维调节架调整光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置，以消除X方向和Y方向的位置影响，使得能量分布均匀。

光束整形器采集的入射光斑的直径为5～10mm，如图3所示，入射光斑直径过大时，导致平顶光斑外圈能量过大，这时需要增大变倍扩束镜的倍率，使入射光斑变大，使整形后的光斑内圈外圈能量分布均匀。如图4所示，入射光束太小时，则会导致能量集中在光斑的中部，整形后平顶效果不佳，需缩小变倍扩束镜的倍率。

在一实施例中，变倍扩束镜的倍率为1.0～2.0倍。光束整形器的入射光斑尺寸为变倍扩束镜的入射光斑尺寸与扩束的倍率的乘积，光束整形器入射光斑的直径需要根据实际加工需要进行确定，变倍扩束镜的倍率则根据光束整形器需要的入射光斑尺寸进行调节，达到光束整形器的光斑尺寸需求。

在一实施例中，光束路径上的光学器件的有效孔径会对平顶效果产生影响，光束路径上所有光学区间的有效孔径最小为光束直径的2.2倍，即，变倍扩束镜的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍，光束整形器的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍。当光束直径增加时，变倍扩束镜和光束整形器的有效孔径也应该以相同的比例增加。

在一实施例中，如图5所示，光束的真圆度(椭圆度)也会导致光斑在X、 Y方向上能量分布不均匀，影响平顶效果，且真圆度偏差越大，光斑的能量分布差距越大。但是光束的真圆度由激光器决定，可以通过调节激光器内部的发射光斑，使真圆度达到要求，无法通过调节光束整形器和变倍扩束镜来达到要求。

在一实施例中，如图6所示，工作距离也会对平顶效果产生影响，光束整形后通过聚焦镜进行聚焦，聚焦后的光斑只会在某个特定位置出现平顶效果，偏离平顶位时会发生不同程度的衍射。

平顶位的有效距离为焦距±2mm的范围内，通过微调工作距离，光斑的线形会先一步一步升高形成一个锥形，然后再进一步调整使得锥形顶部慢慢变的平滑，最终得到平顶光轮廓。

在一实施例中，步骤S50中，判断是否调试完成时，以X轴能量曲线和Y 轴能量曲线上的任意对称两点间的差值是否小于第一预设值，且最高点能量值与最低点能量值之间的距离小于第二预设值进行判断，第一预设值为200μm，第二预设值为100μm。

具体地，取X轴能量曲线上任意对称的两点，两个点在Y轴上对应的数值之间的差值要求小于第一预设值，在X轴能量曲线的两端均具有爬坡区域，在确定最高点能量值和最低点能量值时，将爬坡区域排出计算范围，找到X轴能量曲线上的最高点和最低点，获取最高点在Y轴上对应的数值和最低点在Y轴上对应的数值，并计算差值，该差值要小于第二预设值。

取Y轴能量曲线上任意对称的两点，两个点在X轴上对应的数值之间的差值小于第一预设值，在Y轴能量曲线的两端均具有爬坡区域，在确定Y轴能量曲线上的最高点能量值和最低点能量值时，将爬坡区域排出计算范围，找到Y 轴能量曲线上的最高点和最低点，获取最高点在X轴上对应的数值和最低点在 X轴上对应的数值，并计算差值，该差值要小于第二预设值。

当任意对称两点间的差值小于200μm，且最高点能量值与最低点能量值之间的距离小于100μm时，能量曲线上具体的表现为没有突出的峰，表明光斑能量分布均匀，没有偏移，形成平顶光，完成调试。

在一实施例中，光束整形完成后，可以通过聚焦光束，在测试材料上打出平顶光斑来检验整形效果，光束整形方法还包括：

调试完成后，采用激光在测试材料上打出平顶光斑；

对测试材料进行切片，测量所述测试材料上平顶光斑的光斑深度、第一光斑宽度以及二分之一光斑深度处的第二光斑宽度；

分别计算光斑深度与第一光斑宽度的比值，第二光斑宽度与第一光斑宽度的比值，以检测平顶效果。

打平顶光斑时，按照排或者列的方式在测试材料上打出多个光斑，之后，对测试材料进行切片处理，能够查看光斑的形状，并测量光斑深度、第一光斑宽度以及二分之一深度位置处的第二光斑宽度，第一光斑宽度实际为测试材料上的平顶光斑的孔径，计算出斑深度与第一光斑宽度的比值，计算第二光斑宽度与第一光斑宽度的比值，当两个比值均位于设定的范围内时，表示平顶效果良好。

在一实施例中，光斑深度与第一光斑宽度的比值为0.5～1，第二光斑宽度与第一光斑宽度的比值为0.8～1，在上述范围内时，表示平顶效果良好，超出上述范围时，表示平顶效果较差，需要继续调试，一般情况下，光束整形器的位置和变倍扩束镜的倍率调试好后，就能够得到良好的平顶光效果。

上述实施例中，在检验平顶效果时，可以通过激光在测试材料上打出线条，切片后，需要测量线条的深度、测试材料表面线条的宽度以及孔深一半处的线条宽度，并计算比值。

另一方面，本发明提供一种光束整形装置，基于如前所述的光束整形方法，包括用于调节变倍扩束镜的倍率的第一调节架和用于调节光束整形器在X轴和 Y轴方向上的位置的第二调节架，变倍扩束镜安装在所述第一调节架，光束整形器安装在第二调节架。

第一调节架和第二调节架为四维调节架，且第一调节架和第二调节架不同，四维调节架的结构为常规结构，不再赘述。通过第一调节架能够改变变倍扩束镜的输出镜的位置，来改变变倍扩束镜的倍率，通过第二调节架上的X方向上的螺母和Y方向上的螺母来调节光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光束整形方法，其特征在于，包括：

通过变倍扩束镜对激光器发出的高斯光束进行扩束准直；

以光束整形器上的预对准标记为目标，将扩束准直后的高斯光束垂直射入所述光束整形器中；

基于光路传输方向上设置的光斑分析仪，将经过所述光束整形器后的高斯光束投射在所述光斑分析仪上，并通过所述光斑分析仪获取光斑的图像、X轴能量曲线和Y轴能量曲线；

调节所述变倍扩束镜的倍率和/或所述光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置；

以所述光斑的中心到对应轴的法线作为对称轴，当所述X轴能量曲线和所述Y轴能量曲线上，任意对称两点间的差值小于第一预设值，且最高点能量值与最低点能量值之间的距离小于第二预设值时，所述光束整形完成。

2.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，所述高斯光束的光束质量因子M²＜1.4。

3.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，所述以光束整形器上的预对准标记为目标，将扩束准直后的高斯光束垂直射入所述光束整形器中，具体包括：

所述预对准标记设置在所述光束整形器的入射端上，调整所述光束整形器，使所述高斯光束的光束中心射入到预对准标记的中心处。

4.如权利要求3所述的光束整形方法，其特征在于，所述预对准标记为方形或者圆形，所述预对准标记的标记范围大于所述光束整形器的入射光束的通过范围。

5.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，所述变倍扩束镜对高斯光束进行扩束准直，具体包括：

通过所述光斑分析仪获取所述光斑的能量中心坐标值，将所述能量中心坐标值作为第一坐标值；

调节所述变倍扩束镜的倍率，获取第二坐标值；

当所述第一坐标值和所述第二坐标值的距离值在预设范围内时，所述高斯光束的扩束准直完成。

6.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，在所述光束整形完成后，所述光束整形方法还包括：

采用激光在测试材料上打出平顶光斑；

对所述测试材料进行切片，测量所述测试材料上平顶光斑的光斑深度、第一光斑宽度以及二分之一光斑深度处的第二光斑宽度；

分别计算所述光斑深度与所述第一光斑宽度的比值、所述第二光斑宽度与所述第一光斑宽度的比值，以检测平顶效果。

7.如权利要求6所述的光束整形方法，其特征在于，所述光斑深度与所述第一光斑宽度的比值为0.5～1，所述第二光斑宽度与所述第一光斑宽度的比值为0.8～1。

8.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，射入到所述光束整形器的光束直径为5～10mm，真圆度大于或等于90％。

9.如权利要求8所述的光束整形方法，其特征在于，所述变倍扩束镜的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍，所述光束整形器的有效孔径大于或等于光束直径的2.2倍。

10.如权利要求1所述的光束整形方法，其特征在于，所述变倍扩束镜的倍率为1.0～2.0倍。

11.一种光束整形装置，其特征在于，基于如权利要求1-10中任一项所述的光束整形方法，所述光束整形装置包括用于调节所述变倍扩束镜的倍率的第一调节架和用于调节所述光束整形器在X轴和Y轴方向上的位置的第二调节架，所述变倍扩束镜安装在所述第一调节架上，所述光束整形器安装在所述第二调节架上。