一種基于切割重排的高斯光束整形系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高斯光束整形系統(tǒng)用于激光加工，特適用于需要均勻線條形光斑 的激光加工系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光加工領(lǐng)域中，由于高斯光束特有的形狀分布導(dǎo)致在與材料相互作用過程中 局部溫度過高破壞材料的特性。因此我們希望激光光斑均勻，呈現(xiàn)平頂型分布。為提高加工 效率，減少激光掃描時間，兼顧目標面功率密度的需求，將高斯分布的圓光斑整形成均勻的 線條光斑。傳統(tǒng)的非球面透鏡組或者單片非球面無法改變光斑形狀;衍射光學元件難以承 受工業(yè)激光中的高功率密度;復(fù)眼透鏡整形系統(tǒng)在目標面上呈現(xiàn)均勻矩形光斑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于切割重排的高斯光 束整形系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對現(xiàn)有高斯光束整形技術(shù)的不足，提供一種經(jīng)濟，提高加工效率，能 夠承受高功率密度，在目標面成均勻線條形光斑的光束整形系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于切割重排的高斯光束整形 系統(tǒng)，包括按順序共光軸設(shè)置的擴束系統(tǒng)、空間切割重排系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，其特征在于：
[0005] 所述擴束系統(tǒng)用于將入射的高斯基模光束，在X或Y軸方向擴束，使沿Z軸傳輸?shù)墓?束擴束后的光斑呈橢圓形狀，橢圓的長軸方向即為擴束方向，若在Y方向擴束，則長軸方向 為Y軸，短軸方向為X軸;若在X方向擴束，則長軸方向為X軸，短軸方向為Y軸;橢圓光斑長軸 的尺寸為和短軸的尺寸均為長軸方向和短軸方向橫截面上光強曲線包含能量95 %所對應(yīng) 兩點之間的距離;所述X、Y軸為垂直于光傳輸方向Z軸平面上的正交坐標軸；
[0006] 所述空間切割重排系統(tǒng)用于將入射的橢圓光斑切割重排為與橢圓長軸方向垂直 的Ν份子光束，其包括兩套平板玻璃組，每套平板玻璃組由若干結(jié)構(gòu)和尺寸相同的平板玻璃 疊放而成，玻璃片數(shù)為Ν;玻璃片長和寬均大于橢圓長軸;第一平板玻璃組每片玻璃的厚度 由擴束后橢圓光斑長軸方向尺寸和所需的切割份數(shù)決定，第二平板玻璃組每片玻璃厚度和 橢圓短軸方向尺寸相同；第一平板玻璃組的平面法向矢量與長軸方向平行，第二平板玻璃 組的平面法向矢量與短軸方向平行;各平板玻璃組光軸均與擴束系統(tǒng)的光軸重合，所述平 板玻璃組光軸，是指平行于各平板玻璃且通過平板玻璃組側(cè)面幾何中心的軸，在本發(fā)明中 與Ζ軸重合；
[0007] 所述平板玻璃組中，各平板玻璃錯位疊放而成，第一平板玻璃組疊放方向與橢圓 長軸一致，第二平板玻璃組疊放方向與橢圓短軸一致;第一平板玻璃組的各平板玻璃向橢 圓長軸正負兩個方向逐次對稱錯位，第二平板玻璃組的各平板玻璃向橢圓短軸正負兩個方 向逐次對稱錯位，所述錯位以各光學元件的平面幾何中心為軸轉(zhuǎn)動一定角度實現(xiàn)的；所述 第一平板玻璃組各玻璃片的旋轉(zhuǎn)角度Il(i)以保證分解后的各子光束在橢圓短軸方向的錯 位位移|Dl(i)|大于橢圓短軸方向尺寸，目的為防止子光束的干擾造成能量利用率下降;所 述第二平板玻璃組各玻璃片旋轉(zhuǎn)角度I2(i)以保證分解后的各子光束在長軸方向重排所需 錯位位移ID2(i) |能夠使各子光束中心在同一條直線上；
[0008] 所述聚焦系統(tǒng)包括一片柱面鏡，其母線垂直于各子光束中心的連線，其平面一端 與空間切割重排系統(tǒng)平行，其屈光力子午線方向和橢圓短軸方向平行，用于將空間切割重 排系統(tǒng)輸出的在橢圓短軸方向重排的子光束，轉(zhuǎn)換成均勻線條形光斑；
[0009] 工作時，激光器輸出基模光束，經(jīng)擴束系統(tǒng)后，形成橢圓型光斑;經(jīng)空間切割重排 系統(tǒng)進行高斯高束的切割和重排，形成在橢圓短軸方向重排的多個子光束；多個子光束經(jīng) 聚焦系統(tǒng)會聚成均勻的線條型光班。
[0010] 優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中的空間切割重排系統(tǒng)中，所述的錯位位移D1 (i)、D2(i)和旋轉(zhuǎn)角度II(i)、12(i)優(yōu)選確定方法為：
[0011] 若N為奇數(shù)，則光束空間切割所得子光束沿短軸方向的位移為， 丨
;并依次賦值給別(￥)、
?若N為偶數(shù)，則 光束空間切割所得子光束沿短軸方向的位移為

,并依次賦值給

根據(jù)Dl(i)，由下式計算出Il(i):
[0012]
[0013] D2(i)的確定方法為：
[0014] 若N為奇數(shù)，重排時各子光束沿長軸方向的位移為

_;并依次賦值給、 2
I;若N為偶數(shù)，重 排時各子光束沿長軸方向的位移為

，并依次賦值給并依次賦值給<

所述k為擴束倍率，ω為擴束前 光斑直徑;根據(jù)D2 (i)，由下式計算出12 (i);
[0015]
[0016]兩套平板玻璃組的規(guī)格尺寸的最終確定，在確保完成光束切割重排的前提下，以 經(jīng)濟、小巧為原則。
[0017]優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中，聚焦系統(tǒng)由兩片或者多片柱面鏡組成，各柱面 鏡屈光力子午線方向均與橢圓短軸方向平行，在聚焦方向上的組合聚焦為正，組合焦距的 大小由所需的后工作距離調(diào)整。
[0018]優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中，擴束系統(tǒng)為共軸光學系統(tǒng)，由一片負柱面鏡和 一片正柱面鏡或者均為兩片正柱面組成，兩柱面母線相互平行。
[0019]優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中，擴束系統(tǒng)、空間切割重排系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，在 保證能夠保證機械安裝的情況下，距離越小越好。
[0020] 優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中，空間切割重排系統(tǒng)兩套平板玻璃組的規(guī)格尺 寸，在確保完成光束切割重排的前提下，以經(jīng)濟、機械結(jié)構(gòu)小型化為原則。
[0021] 優(yōu)選地，所述高斯光束整形系統(tǒng)中，子光束份數(shù)N根據(jù)系統(tǒng)要求確定，子光束份數(shù) 越多，每套平板玻璃組所需的平板玻璃份數(shù)越多，可能平板玻璃的厚度也越小，平板玻璃的 加工越困難，機械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，聚集光斑越細。
[0022] 工作中，擴束系統(tǒng)將入射高斯基模光束只在其中一個方向（Y)擴束相應(yīng)的倍率，由 于在X和Y方向具有不用的擴束比，光斑形狀發(fā)生改變?？臻g切割和重排系統(tǒng)由兩組平行平 板組組成，第一組平行平板玻璃對擴束后的光束空間切割產(chǎn)生多分子光束并產(chǎn)生一定的偏 移，第二組平行平板玻璃對切割后所產(chǎn)生的子光束進行重排。聚焦系統(tǒng)將重排后的光束方 向聚焦，從而在目標面上形成均勻線條型光斑分布。
[0023]總體而言:通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于結(jié)構(gòu)簡單，鏡 片易于加工，價格低廉，通過選擇不同的擴束倍率的柱面鏡擴束系統(tǒng)、不同份數(shù)的平行平板 玻璃達到不同的切割份數(shù)和不同的焦距的柱面鏡實現(xiàn)不同的聚焦效果，從而實現(xiàn)在目標面 上實現(xiàn)不同長度的均勻線條形光斑，滿足工業(yè)加工的需要。
【附圖說明】
[0024]圖1柱面鏡擴束系統(tǒng)；
[0025]圖2光束經(jīng)過傾斜平板造成橫向位移；
[0026]圖3是光束空間切割系統(tǒng)(Y-Z平面視圖）；
[0027]圖4是光束空間重排系統(tǒng)(X-Z平面視圖）；
[0028]圖5是柱面鏡聚焦系統(tǒng)；
[0029]圖6是柱面鏡光學特性，光線通過軸向子午線（圖6a)中垂直方向不會出現(xiàn)聚散度 的改變，光線通過屈光力子午線（圖6b)中水平方向，會出現(xiàn)聚散度的改變。
[0030]圖7是整個光束整形系統(tǒng)在Y-Z平面上的視圖；
[0031] 圖8是光束整形過程中光斑變化圖；（a)激光器出射光斑(b)經(jīng)過柱面鏡擴束系統(tǒng) 后光斑(c)經(jīng)過第一組平行平板玻璃后的光斑(d)經(jīng)過第二組平行平板玻璃后的光斑(e)經(jīng) 過聚焦系統(tǒng)后的光斑；
[0032]圖中：1-1是負柱面鏡、1-2是正柱面鏡、2-1(2-2)~（2-8)2-9是平行平板玻璃(具 有不同的旋轉(zhuǎn)角度）、3-1(3-2)~(3-8)3-9是平行的平板玻璃(具有不同的旋轉(zhuǎn)角度），由于 擴束后橢圓光斑邊緣部分的光強很弱，在光斑直徑定義時并在包含在內(nèi)，為充分利用能量， 將邊緣部分的能量轉(zhuǎn)移到子光束中，在平板玻璃組兩側(cè)各加一片玻璃，即2-U2-2具有相同 的旋轉(zhuǎn)角度，2-8、2-9具有相同的旋轉(zhuǎn)角度，3-1、3-2具有相同的旋轉(zhuǎn)角度，3-8、3-9具有相 同的旋轉(zhuǎn)角度;4-1正柱面鏡。
【具體實施方式】