一种动态光束整形装置及方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种动态光束整形装置及方法。

背景技术

超快激光作为一种冷加工技术，在航空、航天超精密零部件加工领域具有至关重要的应用，传统的激光加工工艺只能改变激光的重频、扫描速度、功率等外在参数，无法改变激光的相位、振幅等内在参数。目前超快激光在微纳槽刻蚀、表面粗糙度优化等应用中还存在一些问题无法解决，因此需要通过光束整形将高斯光转换为不同形状、顶部能量均匀分布的平顶光。在工艺研发过程中，通常需要动态的改变平顶光的尺寸及形状，找到最佳的工艺参数。

目前基于空间光调制器光束整形技术通常采用迭代算法来计算相位图，同时配合偏振器、半波片实现相位与振幅的同时调制，配合光阑过滤零级光，来获得平顶光束。

然而，基于空间光调制器光束整形技术存在以下缺点：第一，由于调制器的光曈越大，调制精度越差，因此目前市面上的调制器的光曈直径通常在12mm以下，而光曈的截断作用会对整形结果的均匀性有很大影响，进入调制器的光束直径一般在6mm以内，无法获得微纳米级别平顶光；同时空间光调制器出射的光束会有一定发散角，直接进入振镜扫描，会导致不同扫描幅面位置的光斑尺寸不一致，影响加工精度。第二，迭代算法整形的效果十分依赖于初始相位的选择，通常需要上百次的迭代，计算时间较长，同时整形结果存在严重的散斑噪声，均匀性质量不高；振幅和相位同时调制会严重降低高斯光到平顶光的能量转换效率，能量转换效率不到50％。第三，系统像差严重时，整形结果会产生畸变。

因此，现有的整形方法存在能量分布不均匀、光斑尺寸不一致、计算时间较长、能量转换效率低、整形结果产生畸变的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种动态光束整形装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种动态光束整形装置，包括激光器、偏振光调整组件、空间光调制器、二次扩束准直系统、光束扫描系统和聚焦系统，其中，

所述激光器用于产生基模高斯光束作为入射光束；

所述偏振光调整组件设置在所述激光器后，用于滤除所述入射光束中的垂直偏振光，得到水平偏振光；

所述空间光调制器设置在所述偏振光调整组件后，用于对所述水平偏振光进行相位调制，得到调制光束；

所述二次扩束准直系统设置在所述空间光调制器后，用于对所述调制光束进行二次扩束准直，得到扩束准直光束；

所述光束扫描系统设置在二次扩束准直系统后，用于对所述扩束准直光束进行反射偏转以使光束进入聚焦系统；

所述聚焦系统设置在所述光束扫描系统后，用于对反射偏转光进行聚焦，得到输出光束。

在本发明的一个实施例中，所述偏振光调整组件包括扩束镜、半波片和偏振分光棱镜，其中，

所述扩束镜、所述半波片和所述偏振分光棱镜沿所述激光器的光路依次设置。

在本发明的一个实施例中，所述二次扩束准直系统包括伽利略系统或开普勒系统；

所述光束扫描系统包括扫描头、振镜或反射镜；

所述聚焦系统包括透镜、远心场镜或物镜。

本发明的另一个实施例提供了一种动态光束整形方法，利用上述实施例所述的装置进行光束整形，所述方法包括步骤：

当所述入射光束为理想高斯光束、所述输出光束为平顶光时，根据入射光束、空间光调制器的调制相位和输出光束的数学关系计算调制相位；

根据入射光束的波长、聚焦系统的焦距、输出光束的目标尺寸和入射光束的理论束腰半径，将所述调制相位编码为相位全息图；

将所述相位全息图加载到所述空间光调制器，并在焦平面观测所述输出光束的光束顶部能量分布和光束轮廓形状；

根据所述光束顶部能量分布校准所述理论束腰半径，得到所述入射光束的实际束腰半径；

根据所述光束轮廓形状引入泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束，所述校正后的输出光束为平顶光。

在本发明的一个实施例中，并当所述入射光束为理想高斯光束、所述输出光束为平顶光时，根据入射光束、空间光调制器的调制相位和输出光束的数学关系计算调制相位，包括：

根据标量衍射理论建立入射光束、空间光调制器的调制相位和输出光束的数学关系：

其中，U

将所述理想高斯光束的表达式、所述平顶光的表达式代入所述数学关系中并进行积分渐进近似运算，得到所述调制相位。

在本发明的一个实施例中，所述理想高斯光束的表达式为：

其中，w

在本发明的一个实施例中，当所述输出光束为圆形平顶光时，所述圆形平顶光的表达式为：

U

其中，R表示圆形平顶光半径；

相应的，将笛卡尔坐标系(x，y)转化为极坐标系(γ,ρ)，所述调制相位的表达式为：

在本发明的一个实施例中，当所述输出光束为方形平顶光时，所述方形平顶光为：

U

其中，L表示方形平顶光边长，s＝u或v；

相应的，所述调制相位为：

其中，t＝x或y，erf表示误差函数。

在本发明的一个实施例中，根据所述光束顶部能量分布校准所述入射光束的理论束腰半径，得到所述入射光束的实际束腰半径，包括：

当所述光束顶部能量分布呈现下凹时，增大所述理论束腰半径直至输出光束的顶部能量分布均匀，得到所述实际束腰半径；

当所述光束顶部能量分布呈现凸起时，减小所述入射光束的理论束腰半径直至输出光束的顶部能量分布均匀，得到所述实际束腰半径。

在本发明的一个实施例中，根据所述光束轮廓形状引入泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束，包括：

当所述光束轮廓形状向X轴或Y轴倾斜时，选择一阶或者二阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；

当所述光束轮廓形状存在0°或45°像散时，选择四阶或五阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；

当所述光束轮廓形状存在慧差时，选择六阶或七阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；

当所述光束轮廓形状存在球差时，选择八阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的动态光束整形装置在空间光调制器后加入二次扩束准直系统，使得对于空间光调制光曈大小的要求降低，可以提高整形结果的均匀性，获得尺寸更小的平顶光束；并且在配合光束扫描系统、聚焦系统时不受发散角影响，使得不同扫描幅面位置的光斑尺寸一致，提高了加工精度。

2、本发明的动态光束整形方法首先建立入射光束、空间光调制器的调制相位和输出光束的数学关系，然后通过数学运算的方式求解该数学关系，计算的相位更准确，运行速度更快，整形结果不受散斑噪声影响，相比于现有复振幅调制的迭代算法，光束均匀性和能量转换效率均较高。

3、本发明的动态光束整形方法引入泽尼克多项式进行像差校正，可以避免系统像差导致整形结果产生畸变的问题，实现高质量的光束整形。

附图说明

图1为本发明实施例提供的动态光束整形装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的动态光束整形方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的将调制相位的表达式编码为相位全息图的流程示意图；

图4a-图4c为本发明实施例提供的整形装置实际测试效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的动态光束整形装置的结构示意图。该动态光束整形装置包括：激光器1、偏振光调整组件2、空间光调制器3、二次扩束准直系统4、光束扫描系统5和聚焦系统6。

激光器1用于产生基模高斯光束作为入射光束；偏振光调整组件2设置在激光器后，用于滤除入射光束中的垂直偏振光，得到水平偏振光；空间光调制器3设置在偏振光调整组件2之后，用于对水平偏振光进行相位调制，得到调制光束；二次扩束准直系统4设置在空间光调制器3之后，用于对调制光进行二次扩束准直，得到扩束准直光束；光束扫描系统5设置在二次扩束准直系统4之后，用于对扩束准直光进行反射偏转以使光束进入聚焦系统6；聚焦系统6设置在光束扫描系统5后，用于对反射偏转光进行聚焦，得到输出光束。

在一个具体实施例中，偏振光调整组件2包括扩束镜21、半波片22和偏振分光棱镜23，其中，扩束镜21、半波片22和偏振分光棱镜23沿激光器1的光路依次设置。

具体的，激光器1发生激光依次经过扩束镜21、半波片22调整偏振光角度使水平偏振光占比最高，偏振分光棱镜23滤除剩余的垂直偏振光，使水平偏振光进入空间光调制器3进行相位调制，调制光束经过二次扩束准直系统4、光束扫描系统5、并通过聚焦系统6聚焦后得到输出光束，输出光束在焦平面加工。

本实施例中由于空间光调制器的幅面通常比较小，所以扩束镜2的扩束倍数通常不会很大，并且经过空间光调制器调制的光通常会有一定发散角，因此在空间光调制器后面加入二次扩束准直系统，使得对于空间光调制器光曈大小的要求降低，可以提高整形结果的均匀性，获得尺寸更小的平顶光束，同时在空间光调制器选型上也有更多选择；并且在配合光束扫描系统、聚焦系统时不受发散角影响，使得不同扫描幅面位置的光斑尺寸一致，提高了加工精度。

在一个具体实施例中，二次扩束准直系统4包括伽利略系统或开普勒系统，具体类型可以根据实际加工光程选择。光束扫描系统5是对光束进行反射偏转的系统，可以是扫描头、振镜、反射镜等。聚焦系统6通常选择低像差的透镜、远心场镜或物镜。

实施例二

在实施例一的基础上，请参见图2，图2为本发明实施例提供的动态光束整形方法的流程示意图。该动态光束整形方法利用实施例一所述的装置进行光束整形，具体包括步骤：

S1、当入射光束为理想高斯光束、输出光束为平顶光时，根据入射光束、空间光调制器3的调制相位和输出光束的数学关系计算调制相位。

具体的，建立入射光束、空间光调制器3的调制相位和输出光束的数学关系，并当入射光束为理想高斯光束、输出光束为平顶光时，通过数学运算求解该数学关系，得到调制相位的表达式，从而实现相位图的设计。具体包括：

S11、根据标量衍射理论建立入射光束U

其中，U

S12、将理想高斯光束的表达式、平顶光的表达式代入数学关系中并进行积分渐进近似运算，得到所述调制相位。

由于将理想高斯光束的表达式、平顶光的表达式代入数学关系中后的数学关系式比较复杂，无法直接求解。因此，在代入之前先对式(1)进行简化。简化的方法为：对于式(1)中的

具体的，存在：

U

令s＝u或v，t＝x或y，则

因此，将式(4)中满足∫g(z)exp[ikf(z)]dz形式的积分采用

在一个具体实施例中，入射光束为理想高斯光束时，其表达式为：

其中，w

在一个具体实施例中，所述输出光束为圆形平顶光时，其表达式为：

U

其中，R表示圆形平顶光半径。

相应的，将笛卡尔坐标系(x，y)转化为极坐标系(γ,ρ)，调制相位的表达式为：

在一个具体实施例中，输出光束为方形平顶光时，其表达式为：

U

其中，L表示方形平顶光边长，s＝u或v。

相应的，调制相位为：

其中，t＝x或y，erf表示误差函数。

S2、根据入射光束的波长、聚焦系统6的焦距、所需的输出光束的目标尺寸和入射光束的理论束腰半径，将所述调制相位的表达式编码为相位全息图。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的将调制相位的表达式编码为相位全息图的流程示意图，其具体方法为现有技术，本实施例不再赘述。

S3、将所述相位全息图加载到所述空间光调制器3，并在焦平面观测所述输出光束的光束整形质量。

具体的，将设计好的相位全息图加载到空间光调制器3，并在焦平面(加工面)用光束质量分析仪观测光束整形质量；进一步，光束整形质量包括顶部能量分布和光束轮廓形状。

S4、根据所述光束顶部能量分布校准所述理论束腰半径，得到所述入射光束的实际束腰半径。

具体的，当所述光束顶部能量分布呈现下凹时，增大所述理论束腰半径直至输出光束的顶部能量分布均匀，得到所述实际束腰半径；当所述光束顶部能量分布呈现凸起时，减小所述入射光束的理论束腰半径直至输出光束的顶部能量分布均匀，得到所述实际束腰半径。

可以理解的是，当光束顶部能量分布呈现下凹或者凸起时说明理论束腰半径与实际束腰半径存在偏差，因此，通过调整理论入射束腰半径逼近实际入射光束的束腰半径使光束顶部能量分布均匀，通过动态调控来精确的适配系统参数。当所述光束顶部能量分布呈现下凹时，增大所述入射光束的理论束腰半径；当所述光束顶部能量分布呈现凸起时，减小所述入射光束的理论束腰半径。

S5、根据所述光束轮廓形状引入泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束，所述校正后的输出光束为平顶光。

具体的，若光束分析仪中整形光束产生畸变，则引入泽尼克多项式进行像差校正，其表达式为：

其中，ρ、θ分别表示极坐标系下的半径及角度，n表示泽尼克多项式级数，m＝n-2s(s＝0,1,2..n)，N表示泽尼克多项式阶数，R(ρ)表示径向函数，

根据泽尼克多项式，结合表1可知，多种像差根据所述光束轮廓形状的像差类型选择对应阶数泽尼克多项式对所述调制光进行像差校正，直至平顶光的形状轮廓清晰、无明显畸变。具体的，当所述光束轮廓形状向X轴或Y轴倾斜时，选择一阶或者二阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；当所述光束轮廓形状存在0°或45°像散时，选择四阶或五阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；当所述光束轮廓形状存在慧差时，选择六阶或七阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束；当所述光束轮廓形状存在球差时，选择八阶泽尼克多项式对系统像差进行校正，得到校正后的输出光束。系统像差校正完成及高斯光束腰确定后即可获得形状轮廓清晰、顶部能量分布均匀的平顶光束。在调制器上加载不同的相位图即可适配不同的系统、不同的需求，实现动态高质量的光束整形。

表1

如图4a-图4c所示，图4a-图4c为本发明实施例提供的整形装置实际测试效果示意图，其中，图4a代表长条形平顶光整形结果，图4b代表圆形平顶光整形结果，图4b代表方形平顶光整形结果。从图中可知，长条形平顶光的均匀性为98％，能量利用率为76％；圆形平顶光的均匀性为96％，能量利用率为76％；方形平顶光的均匀性为96％，能量利用率为76％。

本实施例的动态光束整形方法首先建立入射光束、空间光调制器的调制相位和输出光束的数学关系，然后通过数学运算的方式求解该数学关系，采用数值计算的方式，计算的相位更准确，运行速度更快，整形结果不受散斑噪声影响，相比于现有复振幅调制的迭代算法，光束均匀性和能量转换效率均较高。

本实施例的动态光束整形方法引入泽尼克多项式进行像差校正，可以避免整形结果产生畸变的问题，实现高质量的光束整形；并且当动态光束整形装置具有不同的系统参数时，可针对不同参数的系统进行像差校正，该方法的适应性更强。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。