激光强度均匀化装置

技术领域

本发明涉及激光设备技术领域，特别涉及一种激光强度均匀化装置。

背景技术

激光光源的辐射强度一般符合高斯分布，中心区域能量高，光强较强，边缘强度相对较低。在激光精密加工领域，尤其使用高能激光光源的情况，激光与材料物质相互作用过程中，会出现损坏材料、烧蚀不均匀等问题。常用的解决办法是将高斯光束整形为平顶光束，使光斑的能量密度分布趋于均匀。

目前现有技术中，较为普遍的方法是采用微透镜阵列，对入射光束进行分割，结合聚焦透镜，在焦面多个子光束叠加，实现光束匀化。但是由于光源相干性的影响，不同子光束之间存在干涉现象，干涉条纹使聚焦光斑均匀度降低。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种激光强度均匀化装置，旨在解决现有技术中光源相干性影响导致多光束干涉，聚焦光斑受光强尖峰调制影响均匀性的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种激光强度均匀化装置，所述激光强度均匀化装置包括沿第一方向依次间隔设置的光源、准直扩束透镜、啁啾阵列透镜组件及聚焦透镜，所述光源的出射光沿第一方向射出并依次穿过所述准直扩束透镜、所述啁啾阵列透镜组件及所述聚焦透镜；

所述啁啾阵列透镜组件包括：

透光介质，所述透光介质朝向所述聚焦透镜的一侧具有第一安装面，所述透光介质朝向所述准直扩束透镜的一侧具有第二安装面；

多个第一子透镜，多个所述第一子透镜沿第二方向依次设置在所述第一安装面上；

多个第二子透镜，多个所述第二子透镜沿所述第二方向依次设置在所述第二安装面上；

其中，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述透光介质在所述第一方向上的宽度朝所述第二方向呈渐缩设置，所述第一子透镜的数量与所述第二子透镜的数量一致且一一对应设置。

可选地，所述第一安装面与所述第二方向平行；

所述第二安装面与所述第二方向之间具有夹角，所述夹角大于所述透光介质的临界角；或者，

所述第二安装面与所述第二方向平行、且所述第二安装面呈阶梯状设置，所述第二安装面的每个阶梯侧壁上各对应设有一个所述第二子透镜，多个所述第二子透镜的几何中心点均位于同一条直线上，且多个所述第二子透镜的几何中心点的连线与所述第二方向之间具有夹角，所述夹角大于所述透光介质的临界角。

可选地，多个所述第一子透镜的数值孔径相同，记所述数值孔径为NA，所述透光介质的折射率为n

。

可选地，所述第一子透镜为柱透镜，所述第一子透镜上与所述透光介质连接的一侧侧壁为矩形侧壁，所述矩形侧壁上与所述第二方向平行的一个棱边边长为2a

NA=a

可选地，所述第一子透镜的数量为N个，n=N-1；其中，记所述夹角为α，所述透光介质由第一端至第二端呈渐缩设置，靠近所述第二端的一个所述第一子透镜的焦距为f

；

其余所述第一子透镜的焦距f

；

其中n为大于1的任意整数，i为1~n中的任意整数，i表示当前所述第一子透镜在所述第二端向所述第一端方向上所述第一子透镜的次序。

可选地，所述第一子透镜与其对应的所述第二子透镜的数值孔径、焦距及棱边边长均相同。

可选地，当所述第二安装面与所述第二方向之间具有夹角时，所述第一子透镜的几何中心点与其对应的所述第二子透镜的几何中心点之间的连线与所述第一方向平行。

可选地，当所述第二安装面与所述第二方向平行、且所述第二安装面呈阶梯状设置时，所述第二子透镜与其对应的所述第一子透镜的光轴重叠。

可选地，所述第一子透镜、所述第二子透镜以及所述透光介质一体成型设置。

可选地，所述第一子透镜位于与其对应的所述第二子透镜的后焦面上。

本发明技术方案采用所述啁啾阵列透镜组件的非周期性结构，以抑制多光束干涉效应，在最终聚焦光斑受到非等间隔光强尖峰调制，提高平顶光束光强的均匀程度，且能量利用率高，更适用于相干性较强的光源，而且无需考虑入射光源的初始强度分布，普适性强。

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为本发明激光强度均匀化装置的主视图；

图2为本发明激光强度均匀化装置的俯视图；

图3为本发明激光强度均匀化装置中啁啾阵列透镜组件第一实施例的结构示意图；

图4为本发明激光强度均匀化装置中啁啾阵列透镜组件第二实施例的结构示意图；

图5为本发明激光强度均匀化装置第三实施例的仿真效果图；

图6为本发明激光强度均匀化装置第四实施例的仿真效果图。

附图标号说明：

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，在本发明中如涉及“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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明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。

本发明提出一种激光强度均匀化装置，请参照图1及图2，所述激光强度均匀化装置包括沿第一方向依次间隔设置的光源40、准直扩束透镜10、啁啾阵列透镜组件20及聚焦透镜30，所述光源40的出射光沿第一方向延伸并依次穿过所述准直扩束透镜10、所述啁啾阵列透镜组件20及所述聚焦透镜30。

所述啁啾阵列透镜组件20包括透光介质23、多个第一子透镜21及多个第二子透镜22，所述透光介质23朝向所述聚焦透镜30的一侧具有第一安装面231，所述透光介质23朝向所述准直扩束透镜10的一侧具有第二安装面232；多个所述第一子透镜21沿第二方向依次设置在所述第一安装面231上；多个所述第二子透镜22沿所述第二方向依次设置在所述第二安装面232上；其中，所述第二方向与所述第一方向垂直，所述透光介质23的宽度沿所述第二方向呈渐缩设置，所述第一子透镜21的数量与所述第二子透镜22的数量一致且一一对应设置。

所述准直扩束透镜10、所述啁啾阵列透镜组件20及所述聚焦透镜30均位于所述光源40的光路上。所述光源40的沿所述第一方向A射出光束，也即所述光源40的出射光沿第一方向A延伸。

所述准直扩束透镜10用于对所述光源40的出射光进行准直扩束。本实施例中，以所述第一方向A为Z轴建立三维坐标系，所述准直扩束透镜10能够在所述Y轴和/或X轴方向上对所述光源40的出射光进行准直扩束，从而使得该出射光能够在所述Y轴和/或X轴方向实现一定倍率的扩束。

其中，Y轴以及X轴方向上的扩束倍率可以相同，也可以不同，具体可以通过调整所述准直扩束透镜10的透镜结构进行调整。

所述准直扩束透镜10包括至少一个调节子透镜11，调节子透镜11为半圆柱体结构的柱透镜。当调节子透镜11的数量为一个时，调节子透镜11的顶面与底面垂直于X轴设置，从而能够改变出射在Y轴上的扩束倍率，也即出射光的尺寸大小；同理，调节子透镜11的顶面与底面垂直于Y轴设置，从而能够改变出射在X轴上的扩束倍率。

当设置有两个调节子透镜11时，两个调节子透镜11沿所述第一方向A间隔设置。通过调整两个所述调节子透镜11之间的间距，以及顶面和底面的设置方向，从而能够实现同时改变出射光在X轴和/或Y轴上的扩束倍率，也即出射光的尺寸大小。

出射光从所述准直扩束透镜10射出后，再射入所述啁啾阵列透镜组件20，所述啁啾阵列透镜组件20无论是在Y轴以及X轴方向上均具有光学作用。

调整所述啁啾阵列透镜组件20的摆放位置，以使出射光垂直射入所述啁啾阵列透镜组件20。

入射光在通过所述啁啾阵列透镜组件20后，所述啁啾阵列透镜组件20对所述出射光进行分割，非周期结构可降低多光束干涉的影响，则能够提高聚焦光斑的均匀性。

在正常安装时，所述第一安装面231与所述第二安装面232均垂直于所述第一方向A，从而保证入射光垂直射入。

所述透光介质23的顶面以及底面均为平整的平面，且均与坐标系中Z轴与X轴构成的平面平行，所述第二方向B与上述三维坐标系中的Y轴平行。

所述第一子透镜21与所述第二子透镜22一一对应设置是指，以所述透光介质23的底面的高度为0，高度沿所述第二方向B向顶面逐渐增大，所述第一子透镜21和与其对应的所述第二子透镜22高度相同。

并且，所述第一安装面231上的多个所述第一子透镜21和所述第二安装面232上的多个所述第二子透镜22的排布方向、排布位置均对应相同。

所述透光介质23的宽度朝所述第二方向呈渐缩或渐扩设置，呈渐缩时所述透光介质23顶部窄、底部宽；将所述透光介质23倒置时，则朝所述第二方向呈渐扩设置。

通过采用渐缩或者渐扩的方式设置，多个所述第一子透镜21的光学参数不同，同时为了保证所述第一子透镜21能够位于所述第二子透镜22的后焦面上，从而调整所述透光介质23的尺寸，使得对应的所述第一子透镜21和所述第二子透镜22位置对应，从而形成非周期性结构。从而可降低多光束干涉的影响，则能够提高聚焦光斑的均匀性。

出射光从所述啁啾阵列透镜组件20射出后，再射入所述聚焦透镜30。

所述聚焦透镜30用于对所述光源40的出射光进行会聚。所述聚焦透镜30的后焦面位于所述聚焦透镜30背离所述啁啾阵列透镜组件20的一侧。该出射光在穿过所述聚焦透镜30后，则在所述聚焦透镜30的后焦面上形成均匀的光斑50。

所述第一子透镜21位于与其对应的所述第二子透镜22的后焦面上，保证最终光斑的成像效果。

通过所述激光强度均匀化装置的光学结构后，出射光光强更加均匀，也即使光斑50的能量密度分布趋于均匀，不再受到等间距光强尖峰调制，可适用于类高斯、无规则等强度分布的单波长激光光源。

因此，本实施例中，所述光源40可以采用单波长、光谱范围远小于中心波长等的激光光源。其光强分布包括类高斯、反高斯、无规则等多种分布。其中，所述光源40优选波长355nm激光光源。

本发明技术方案采用所述啁啾阵列透镜组件20的非周期性结构，以抑制多光束干涉效应，在最终聚焦光斑受到非等间隔光强尖峰调制，提高平顶光束光强的均匀程度，且能量利用率高，更适用于相干性较强的光源40，而且无需考虑入射光源的初始强度分布，普适性强。

所述第一子透镜21和所述第二子透镜22可采用刻蚀的方式设置在所述第一安装面231和所述第二安装面232上，也即所述第一子透镜21、所述第二子透镜22以及所述透光介质23之间为一体成型设置。

进一步地，作为一种实施例，所述第一安装面231与所述第二方向平行，所述第二安装面232与所述第二方向之间具有夹角，所述夹角大于所述透光介质23的临界角。

本实施例中，所述第二安装面232为平整的平面，且所述第二安装面232倾斜设置，从而与所述第二方向之间形成所述夹角α。

所述第二子透镜22连续设置在平整且倾斜的所述第二安装面232上。

为保证所述啁啾阵列透镜组件20对所述出射光进行分割及重排，所述夹角α应当设置为大于所述透光介质23的临界角α

所述透光介质23的临界角α

具体的，所述第一子透镜21的光学参数包括有数值孔径，多个所述第一子透镜21的数值孔径相同，记所述数值孔径为NA，所述透光介质23的折射率为n

公式1：

进一步地，所述第一子透镜21为柱透镜，则所述第一子透镜21与所述透光介质23连接的一侧侧壁为矩形侧壁。

所述第一子透镜21的光学参数还包括棱边边长以及焦距，记所述矩形侧壁上与所述第二方向平行的棱边边长为2a

公式2：NA=a

进一步地，在所述图3中，所述第一端为所述透光介质23的底部，所述第二端为所述透光介质23的顶部，所述第一端至所述第二端方向即为所述第二方向B。

所述第一子透镜21的总数量为N个，其中n=N-1，所述夹角记为α，靠近所述第二端的一个所述第一子透镜21的焦距为f

公式3：

其余所述第一子透镜21的焦距f

公式4：

可以理解，其中n为大于1的任意整数，i为1~n中的任意整数，i表示当前所述第一子透镜21在所述第二端向所述第一端方向上所述第一子透镜21的次序。

具体请参照图3，例如沿所述二段至所述第一端，由上至下所述第一子透镜21的次序依次编为0、1、2、3…n。位于顶部的第一个所述第一子透镜21的次序则为0，向下依次为第1、2、3…n个。则i表示当前的所述第一子透镜21为向下的第i个所述第一子透镜21。

N取值优选23，所述透光介质23的折射率为1.5，子透镜的数值孔径NA为0.05，位于靠近所述透光介质23第二端的所述第一子透镜21的焦距设定为1mm、直径0.1mm，所述聚焦透镜30焦距为30mm。通过仿真结果显示，多光束干涉效应明显，聚焦光斑受光强尖峰调制。

需要说明的是，将第i个所述第一子透镜21的焦距定义为f

具体的，为了保证呈现效果，所述第一子透镜21和与其对应的所述第二子透镜22应当保持同一高度，也即所述第一子透镜21的几何中心点与其对应的所述第二子透镜22的几何中心点之间的连线与所述第一方向平行。

子透镜的几何中心点是指：子透镜的矩形侧壁的几何中心，也即该矩形侧壁两条对角线的交点位置。

在上述过程中，若多个所述第二子透镜22是连续、倾斜设置的，由于光的折射原理，出射光的光轴不再保持与所述第一方向A平行，而是倾斜向下，经过所述聚焦透镜30之后，光斑50则在视场下方。

因此，本发明提出另一种实施例，所述第二安装面232与所述第二方向平行、且所述第二安装面232呈阶梯状设置，所述第二安装面232的每个阶梯侧壁233上各对应设有一个所述第二子透镜22，多个所述第二子透镜22的几何中心点均位于同一条直线上，且多个所述第二子透镜22的几何中心点的连线与所述第二方向之间具有夹角，所述夹角大于所述透光介质23的临界角。

本实施例中，多个所述第二子透镜22的几何中心点的连线与所述第二方向之间具有夹角与夹角α相等。

所述阶梯侧壁233则为朝向所述准直扩束透镜10或者聚焦透镜30的一侧的侧壁。

所述第二安装面232上的每个阶梯侧壁233各对应设有一个所述第二子透镜22，

为保证所述第一子透镜21和与其对应的所述第二子透镜22处于同一高度，所述第二子透镜22与其对应的所述第一子透镜21的光轴重叠。

本实施例中，所述第二子透镜22的矩形侧壁的尺寸与其对应的所述阶梯侧壁233的尺寸相适配，即所述第二子透镜22铺设满整个所述阶梯侧壁233，从而保证最终的光斑50效果。

同理，子透镜的几何中心点是指：子透镜的矩形侧壁的几何中心，也即该矩形侧壁两条对角线的交点位置。

需要说明的是，在上述方案中，无论采用倾斜设置的方式，还是阶梯设置的方式，所述第一安装面231与所述第二安装面232的位置可以相互置换，也即所述第一安装面231可以朝向所述准直扩束透镜10一侧设置，也可以朝向所述聚焦透镜30一侧设置。

所述夹角α可以设置为7°~14°。当所述夹角α设置为7°时，光斑50中心线的归一化光强仿真结果如图5所示；当所述夹角α设置为14°时，光斑50中心线的归一化光强仿真结果如图6所示；光斑50不再受到等间隔光强尖峰调制，均匀度有所提高。

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。