CN116888522A - 激光光束整形装置 - Google Patents

Abstract

用于激光光束(7)整形的装置，包括一个带有第一透镜(3)阵列(2)的第一匀化器(1)和一个带有第二透镜(6)阵列(5)的第二匀化器(4)，激光光束(7)依次通过第一匀化器(1)和第二透镜(6)阵列(5)；一个透镜装置(8)，将通过第二透镜(6)阵列(5)的激光光束(7)叠加在一个工作平面上、第一棱镜(9)和第二棱镜(10)布置在第二匀化器(4)和透镜装置(8)之间，其中通过第二透镜(6)阵列(5)的激光光束(7)依次通过第一棱镜和第二棱镜(9、10)，然后再照射到透镜装置(8)上。

Description

激光光束整形装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的激光光束整形装置，特别是激光光束线性强度分布整形装置，以及一种根据权利要求13前序部分所述的在工作平面上产生激光光束强度分布的激光设备，特别是在工作平面上产生激光光束线性强度分布的激光设备。

背景技术

在用于形成激光束线性强度分布的已知设备中，包括两个带有透镜阵列的匀化器和一个傅立叶透镜，线性强度分布的长度L由以下关系得出：其中p是并排排列的阵列透镜的间距，f_H是第二个透镜阵列的焦距，f_F是第二个匀化器后面的傅立叶透镜的有效焦距。这些尺寸在生产过程中可以自由选择，但随后会固定下来。因此，在生产之后，通常不再可能影响工作平面上激光光束的线长或场尺寸。

在DE102007026730A1中可以了解到上述类型的装置和激光设备。其中描述的装置包括一个带有透镜阵列的第一匀化器和一个带有两个基板的第二匀化器，每个基板上都布置有透镜阵列。此外，还配备了一个透镜，用于将第二匀化器发出的部分光束叠加到工作平面上，从而在工作平面上产生激光光束的线性强度分布。为了能够调整线性强度分布的线长，可以相对移动第二匀化器的两个基板，以便在光传播方向上实现不同的距离。

该装置的光学效果和工作平面上强度分布的均匀性受到第二匀化器上两个可相互移动的基板的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的问题是制造出一种开头提到的那种装置，通过这种装置可以提高设备的光学效果和/或改善工作平面上的光强分布均匀性。此外，本发明还提出了一种具有这种装置的激光设备。

根据本发明，这可以通过具有权利要求1所述特征的开头所述类型的装置和具有权利要求13所述特征的开头所述类型的激光设备来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

根据权利要求1，该装置包括一个第一棱镜和一个第二棱镜，它们被布置在第二匀化器和透镜装置之间，其中该装置的设置使得通过第二透镜阵列的激光光束先后通过第一棱镜和第二棱镜，然后再照射到透镜装置上。在第二匀化器和透镜装置之间插入两个棱镜对该装置的光学效果和工作平面上产生的强度分布的均匀性影响很小或没有影响。

特别是，棱镜的设置可至少部分减小或增大穿过棱镜的激光光束在第一方向上的横截面和/或发散度，尤其是发散度的增大可增加线性光强分布的长度，而通过减小发散度可实现线性光强分布长度的减小。特别是，线性强度分布沿第一方向延伸。

优选地，棱镜的设置可以改变通过它们的激光光束的发散度，至少部分改变第一方向的发散度，改变幅度在0.5到2.0之间，特别是线性强度分布的长度，改变幅度在0.5到2.0之间。因此，棱镜可以在相对较大的范围内影响强度分布的形状，特别是在工作平面上产生的激光线性强度分布的长度。

第一阵列和第二阵列的透镜可以彼此相邻排列，特别是第一阵列和第二阵列的透镜彼此相邻排列的方向与第一方向相对应。在这种情况下，第一阵列和第二阵列的透镜可以是圆柱形透镜，其圆柱轴相互平行排列，特别地，圆柱轴在垂直于第一方向的第二方向上延伸。这样，透镜就能在线的纵向上起到均匀化的作用。还可以在匀化器中为与之垂直的线横向提供更多圆柱透镜，这些透镜的圆柱轴在第一方向上延伸。

第一棱镜在装置中的布置方式可以是，激光光束的部分光束穿过相邻布置的第二阵列的透镜后，在进入第一棱镜时至少在第一方向上还没有重叠。这样，通过各个透镜的部分光束就可以通过棱镜彼此分开形成。

至少一个棱镜，最好是两个棱镜都可以移动，最好是可以绕轴转动。至少一个棱镜的移动，特别是绕轴转动，可以改变通过棱镜的激光光束截面的变化系数。特别是，至少一个棱镜(最好是两个棱镜)可以绕轴转动的轴线沿第二方向延伸。这样的设计可以非常容易地影响工作平面上激光光束的场强或线长。

两个棱镜可以具有相同的设计，特别是具有相同的尺寸和/或相同的形状。这样的设计可以降低设备的制造成本。第一阵列的透镜和第二阵列的透镜之间的距离可以与第二阵列的至少一些透镜，最好是所有透镜的焦距一致。此外，透镜装置可以以傅立叶排列方式安装在装置中，这样，激光光束在第二阵列和透镜装置之间的角空间中的分布就会被透镜装置转换成空间中的强度分布。

根据权利要求13，用于激光光束整形的装置是根据本发明设计的装置。

激光设备可以包括两个激光光源，这两个激光光源被设置成产生具有彼此不同特性的激光光束，例如具有彼此不同的发散性或光束轮廓，激光装置被设置成激光光束彼此相邻地击中，透镜装置在工作平面上叠加两个激光光束，特别是在强度分布强度上叠加。事实证明，傅立叶排列的单个透镜装置在工作平面上叠加两束可能非常不同的激光束是非常有利的，特别是在工作平面上的线性强度分布，同时，线的长度可以通过棱镜的相应位置来指定。

为此，可以规定激光光束整形装置由四个棱镜组成，其中，两个棱镜用于不同激光束中的一种。或者，也可以规定激光光束整形装置由两个棱镜组成，其中，两个棱镜用于两种不同的激光光束。

附图说明

本发明的更多特点和优点将在下面参照附图对优选示例性实施例的描述中变得更加清晰。图中

1显示了根据本发明的装置的第一实施例的示意侧视图，其中绘有待整形的激光光束；

2a显示了两幅图，示意性地说明了第二匀化器后面的激光光束在空间和角度空间的分布情况；

2b显示了两幅图，示意性地说明了两个棱镜在第一位置时，第二棱镜后面的激光光束在空间和角度空间的分布情况；

2c显示了两幅图，示意性地说明了两个棱镜在第二位置时，第二棱镜后面的激光光束在空间和角度空间的分布情况；

3a显示了根据图1所示的实施例两个棱镜在第一位置上的侧视示意图；

3b显示了以任意单位绘制的工作平面上的激光光束强度与线性强度分布线纵向方向上的空间坐标(单位：毫米)的示意图，其中两个棱镜处于图3a中所示的第一位置；

4a显示了根据图1的实施例两个棱镜在第二位置上的示意侧视图；

4b显示了以任意单位绘制的工作平面上的激光光束强度与线性强度分布线纵向方向上的空间坐标(单位：毫米)的示意图，其中两个棱镜处于图4a所示的第二位置；

5显示了根据本发明的装置的第二个实施例的示意侧视图，其中绘有待整形的激光光束。

图中相同和功能相同的部件使用相同的参考符号。为了更好地确定方向，在某些图中绘制了直角坐标系。

具体实施方式

图1所示的激光光束整形装置的实施例包括一个带有第一透镜3阵列2的第一匀化器1和一个带有第二透镜6阵列5的第二匀化器4。该装置的设置方式是，待整形的激光光束7依次通过第一透镜3阵列2和第二透镜6阵列5。

透镜3和6在第一方向x上并排布置。透镜3和6是圆柱形透镜，其圆柱轴在垂直于第一方向x的第二方向y上延伸，第二方向y在图中平面外延伸，因此透镜3和6在第一方向x上起作用。激光光束7基本上沿着垂直于第一方向x和第二方向y的第三方向z移动。

完全可以提供球形透镜或不同设计的透镜来代替圆柱形透镜，它们同时在第一方向x和第二方向y上起作用。

图中，第一阵列2位于第一匀化器1的出口表面，第二阵列5位于第二匀化器4的入口表面。当然，也可以将两个阵列2、5都布置在入口表面或出口表面上，或者将第一阵列2布置在第一匀化器1的入口表面上，将第二阵列5布置在第二匀化器4的出口表面上。此外，也可以只提供一个透明基板，在其入口表面布置第一阵列2，在其出口表面布置第二阵列5。

例如，也可以在第一匀化器1的入口表面和/或第二匀化器4的出口表面上布置在第二方向y上的透镜阵列。例如，这些透镜可以是圆柱透镜，其圆柱轴向第一方向x延伸。

第二阵列5的所有透镜6都具有相同的焦距。两个阵列2、5之间的距离等于第二阵列5的透镜6的焦距。

图1所示的设备还包括一个透镜装置8，在已知的方式下，该透镜装置8在所示的示例性实施例中采用傅立叶排列的平凸透镜8的形式。透镜装置8以本身已知的方式，将从第二阵列5的透镜6发出的激光光束7的部分光束叠加到第一方向x的工作平面(未图示)上。

完全可以提供其他形式的透镜，例如双凸透镜。此外，还可以提供一个透镜系统来代替单透镜。

图1所示的设备还包括两个棱镜9、10，位于第二匀化器4和透镜装置8之间，激光光束7依次穿过这两个棱镜。在图中所示的实施例中，棱镜9和10具有相同的尺寸和形状，图1中的横截面一直延伸到图1的平面。

图1中左侧的第一棱镜9是这样布置的：当激光光束7射入第一棱镜9的入口表面11时，激光光束7在第一方向x上穿过相邻布置的第二阵列5的透镜6的部分光束尚未相互重叠。

通过适当调整棱镜9和10，可以改变从每个透镜6射出的部分光束的截面和/或发散，特别是相同地改变每个部分光束的截面和/或发散。这适用于以下变化：

D_in·Φ_in＝D_out·Φ_out，

其中，D_in是沿空间第一方向x进入棱镜9、10的部分光束的范围，Φ_in是沿角空间第一方向x进入棱镜9、10的部分光束的范围，D_out是沿空间第一方向x从棱镜9、10流出的部分光束的范围，Φ_out是沿角度空间第一方向x从棱镜9、10流出的部分光束的范围。

图2a左图显示横截面12a或在空间域中沿第一方向x进入棱镜9、10的部分光束的范围D_in。图2a右图显示了发散13a或进入棱镜9、10的部分光束在角域第一方向x上的扩展Φ_in。

图2b和图2b说明了棱镜9、10的两个不同位置对从棱镜中出现的部分光束的影响。

图2b左图显示了棱镜9、10在空间域的第一方向x上出现的部分光束的横截面12b或范围D_out。图2b右图显示发散13b或从棱镜9、10沿第一方向x出现的部分光束在角域中的扩展Φ_out。发散13b小于发散13a。透镜装置8将较小的发散13b或角度空间中较小的范围转换为工作平面空间中的分布，从而使工作平面中第一方向x的场范围较小，特别是线性强度分布的长度较小。

图2c左图显示从棱镜9、10沿第一方向x出现的部分光束在空间域中的横截面12c或范围D_out。图2c右图显示了发散13c或从棱镜9、10沿第一方向x出现的部分光束在角域中的扩展Φ_out。发散13c大于发散13a。透镜装置8将更大的发散13c或角度空间中更大的扩展转换为工作平面空间中的分布，从而使工作平面中的场在第一方向x上有更大的扩展，特别是线性强度分布的长度更大。

图3a至图4b使用在工作平面上形成激光光束线性强度分布14的装置的具体示例实施例进行了说明。

3a显示的是棱镜9和10处于第一位置的装置。从图3b可以看出，在第一位置，线性强度分布14的长度略大于700毫米。

图4a显示了与图3a相同的装置。不过，图4a中的棱镜9、10处于第二位置，与第一位置不同。从图4b中可以看出，在第二个位置上，线性强度分布14的长度约为500毫米。

例如，在图3a和图4a所示的位置中，图4a中的第一棱镜9相对于图3a中的第一棱镜9顺时针旋转，旋转的轴线沿第二方向y延伸。此外，在图3a和图4a所示位置，图4a中的第二棱镜10相对于图3a中的第一棱镜9围绕沿第二方向y延伸的相应轴线逆时针旋转。

图5显示了根据本发明的装置的一个实施例，与图1不同的是，图5中没有两个棱镜9、10，而是四个棱镜9a、9b、10a、10b。在这种情况下，两个第一棱镜9a、9b在第一方向x上相邻排列，此外，两个第二棱镜10a、10b在第一方向x上并排排列。

两束激光7a和7b射向设备，它们在发散度或光束轮廓等方面有所不同。在图5中，第一束激光7a射向第一匀化器1的上部区域，第二束激光7b射向第一匀化器1的下部区域。

该设备的设置使得穿过图5中上第一棱镜9a的激光光束7a穿过图5中上第二棱镜10a，而穿过图5中下第一棱镜9b的激光光束7b则穿过图5中下第二棱镜10b。此外，该设备的设置使穿过第二棱镜10a和10b的两束激光7a和7b一起穿过透镜装置8，并在工作平面上叠加，特别是在线性强度分布上。

事实证明，傅立叶排列的单透镜装置8在工作平面上叠加两束可能非常不同的激光束7a、7b，特别是在工作平面上的线性强度分布非常有利，同时可以指定棱镜9a、9b、10a、10b的相应位置和线的长度。

可以规定匀化器1、4为不同的激光束7a、7b设计不同的区域，这些区域在第一方向x上彼此相邻或相距一定距离。

也可以规定，用于形成两束不同激光束7a、7b的装置不包括四个棱镜，而只包括两个棱镜(未显示)，在这种情况下，两个棱镜分别用于两束相互不同的激光束7a、7b。

在图1、图3a、图4a和图5所示的实施例中，还有可能提供更多的透镜，用于在工作平面上聚焦激光光束或激光射线，和/或用于对激光光束或激光射线进行第二方向y的整形。为了清楚起见，这些镜头可能不会显示出来。

Claims (16)

1.一种用于激光光束(7，7a，7b)整形的装置，尤其是用于激光光束(7，7a，7b)线性强度分布(14)整形的装置，包括一个带有透镜(3)的第一阵列(2)的第一匀化器(1)，该装置的设置方式为待整形的激光光束(7，7a，7b)穿过透镜(3)的第一阵列(2)，一个带有透镜(6)的第二阵列(5)的第二匀化器(4)，其中该装置的设置使得穿过透镜(3)的第一阵列(2)的激光光束(7，7a，7b)穿过透镜(6)的第二阵列(5)、透镜装置(8)，该装置的设置使穿过第二阵列(5)的透镜(6)的激光光束(7，7a，7b)穿过透镜装置(8)，这样，至少穿过第二阵列(5)的一些透镜(6)的激光光束(7，7a，7b)的部分光束叠加在一个工作平面上，其特征在于，该装置有一个第一棱镜(9，9a，9b)和一个第二棱镜(10，10a，10b)，布置在第二匀化器(4)和透镜装置(8)之间，该装置布置成允许通过第二阵列(5)的透镜(6)的激光光束(7，7a，7b)先后穿过第一棱镜和第二棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)，然后照射到透镜装置(8)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)的设置是为了使激光光束(7，7a，7b)的横截面(12a)和/或发散(13a)至少部分地在第一方向(x)上减小或增大，特别是通过增大发散(13a)来增大线性强度分布(14)的长度，而减小发散(13a)来减小线性强度分布(14)的长度。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，棱镜(9，10)至少部分地与通过它们的激光光束(7，7a，7b)在第一方向(x)上的发散(13a)相适应，其变化系数在0.5和2.0之间，特别是线性强度分布(14)的长度变化系数在0.5和2.0之间。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，第一阵列(2)和第二阵列(5)的透镜(3，6)各自并排布置，特别是第一阵列(2)和第二阵列(5)的透镜(3，6)相邻布置的方向(x)与第一方向(x)相对应。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，第一阵列(2)和第二阵列(5)的透镜(3，6)是圆柱形透镜，其圆柱轴彼此平行排列，特别是圆柱轴在垂直于第一方向(x)的第二方向(y)上延伸。

6.根据权利要求2至5任一项所述的装置，其特征在于，第一棱镜(9，9a，9b)在装置中的布置方式是，当激光光束进入第一棱镜(9，9a，9b)时，通过彼此相邻布置的第二阵列(5)的透镜(6)的部分光束(7，7a，7b)至少在第一方向(x)上尚未彼此重叠。

7.根据权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，至少一个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)，最好是两个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)可移动，最好是可绕轴转动。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，通过至少一个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)的移动，特别是绕轴转动，改变通过棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)的激光光束(7，7a，7b)的横截面。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，至少一个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)，最好是两个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)可绕其转动的轴线在第二方向(y)上延伸。

10.根据权利要求1至9任一项所述的装置，其特征在于，两个棱镜(9，9a，9b，10，10a，10b)的设计相同，特别是具有相同的尺寸和/或相同的形状。

11.根据权利要求1至10任一项所述的装置，其特征在于，第一阵列(2)的透镜(3)与第二阵列(5)的透镜(6)之间的距离，至少与第二阵列(5)的某些透镜(6)的焦距相对应，最好是与第二阵列(5)的所有透镜(6)的焦距相对应。

12.根据权利要求1至11任一项所述的装置，其特征在于，透镜装置(8)在装置中以傅立叶排列方式定位，因此激光光束(7，7a，7b)在角空间的分布由透镜装置(8)转换成空间的强度分布。

13.一种用于在工作平面上产生激光光束(7，7a，7b)的强度分布的激光设备，特别是用于在工作平面上产生激光光束(7，7a，7b)的线性强度分布(14)的激光设备，包括至少一个激光光源和一个激光光束(7，7a，7b)整形装置，其特征在于，激光光束(7，7a，7b)整形装置是根据权利要求1至12任一项所述的装置。

14.根据权利要求13所述的激光设备，其特征在于，该激光设备包括两个激光光源，这两个激光光源被设置为产生具有彼此不同特性的激光光束(7a，7b)，例如，具有彼此不同的发散或光束轮廓，其中，激光设备被设置为使激光光束(7a，7b)彼此相邻地照射到装置上，并且通过透镜装置(8)在工作平面上叠加这两束激光光束(7a，7b)，特别是在线性强度分布(14)上的叠加。

15.根据权利要求13所述的激光设备，其特征在于，用于激光光束(7，7a，7b)整形的装置包括四个棱镜(9a，9b，10a，10b)，其中两个棱镜用于不同激光光束(7a，7b)中的一束。

16.根据权利要求13所述的激光设备，其特征在于，用于激光光束(7，7a，7b)整形的装置包括两个棱镜，这两个棱镜分别用于两个相互不同的激光光束(7a，7b)。