一种输出圆对称光斑的光学系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种输出圆对称光斑的光学系统。

背景技术

常规的高斯分布聚焦光斑中心能量高边缘能量低，用于激光加工时易造成中心过烧、产生气孔、飞溅等，边缘熔化不足、加工不完全等缺陷。例如在激光玻璃薄膜技术中，高斯激光加工中心区域远高于消融阈值，会损坏基板材料，而高斯分布的下降沿的能量低于消融阈值，会产生热效应，损坏薄膜结构。强度可调圆对称光斑可以显着地改善与消融阈值的这种能量匹配，借助于该消融阈值，可以减小高于阈值的过剩能量和下降沿中的过剩能量，避免对激光划线下方的基板和相邻区域的潜在损坏，大大提高加工效果。由平顶激光产生的矩形足迹可以产生具有非常小重叠的直壁，从而提高了激光微加工的处理速度。

目前，激光加工领域中，产生强度可调圆对称光斑的方法有多种，但部分方法并不适用于高功率的激光加工场景，例如空间光调制器。目前，适用于高功率加工场景的强度可调圆对称光斑解决方案可以分为两类，一类是基于光纤特殊结构的平顶光纤激光器，可以直接由激光器输出环形光斑；另一类则是基于光学元件的外光路整形，通过对一般激光器输出的高斯光束进行光束整形以获得强度可调圆对称光斑。

Coherent公司推出了平顶型激光器产品，可以实现高均匀度平顶激光的输出。但是，这类激光器均存在一下缺陷：一是成本高昂，可输出强度可调圆对称光斑的光纤激光器的价格远高于一般的光纤激光器；二是应用场景受限较大，基于光纤特殊结构的平顶光束整形方法只适用于光纤激光器，但在激光加工中，仍存在许多不适合使用光纤激光器作为加工光源的场景；三是光斑的大小有限，只能输出预设的强度可调圆对称光斑尺寸，无法调节其他类强度可调圆对称光斑模式，如环凹光斑。

在基于光束整形元件的外光路整形中，使用的光束整形元件有多种，粗略地可划分为两类：第一类光束整形元件是透射式整形元件，例如微透镜、光束整形DOE以及其他诸多具有光束整形作用的透射光学整形元件，例如Edmund公司的AdlOpticaπShaper平顶光束整形器等。但目前的透射式光学整形元件存在以下缺陷：损伤阈值较低，因此在超高功率的激光加工中，透射式光学元件的稳定性和使用寿命是不足的；许多透射式光学整形元件的镜面形状较为复杂，加工难度大、加工成本高。第二类光束整形元件则是反射式整形元件，例如非球面反射镜等。与透射式光学整形元件相比，由于主体材料可以采用金属并且内置水冷通道，反射式整形元件具有更高损伤阈值，加工技术也更为成熟。但是，目前基于反射式整形元件的强度可调圆对称光斑整形光路的缺点在于：镜面整形效果单一，复杂功能镜面加工精度要求高，加工难度大。

综上，目前实现极大功率的平顶光束整形的一种思路就是在反射式整形元件的基础上，如何尽可能地去简化光路，满足整形模式多样化的同时降低加工复杂度，提高稳定性和适用性。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种输出圆对称光斑的光学系统，旨在解决如何尽可能地去简化光路，满足整形模式多样化的同时降低加工复杂度，提高稳定性和适用性的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种输出圆对称光斑的光学系统，包括：沿光路依次放置的光源、整形单元和聚焦单元；

所述光源用于产生高斯光束；

所述整形单元采用匀化的圆对称反射镜，用于改变入射的高斯光束的光斑分布模式，整形为尺寸可调的初始圆对称光斑，并出射到所述聚焦单元上；

所述整形单元的相位和反射面形状通过以下方式确定：根据入射的高斯光束的能量分布和目标三维圆对称光斑的能量分布，根据旋转椭球镜的点对点光线映射关系，构建整形单元的曲面方程，再根据能量分布确定镜面照射区域和对应的发散角，不同镜面照射区域叠加对应的横向偏移相位和纵向偏移相位；

所述聚焦单元的中心位于所述整形单元出射光束的中心轴线上，用于将经所述整形单元整形后的初始圆对称光斑聚焦于工作面的预设位置形成目标三维圆对称光斑；所述聚焦单元的反射面的相位通过以下方式确定：基于所述聚焦单元预设前焦距和预设后焦距，点对点光线映射关系，在平面镜上叠加聚焦相位，确定从光源到工作面的位置对应关系，构建聚焦单元的曲面方程。

可选的，所述整形单元用于通过调节横向偏移相位来改变整形后得到的目标三维圆对称光斑的光强分布，所述目标三维圆对称光斑包括：平顶光斑、环凹光斑和环凸光斑。

可选的，所述整形聚焦单元用于通过调节纵向偏移相位来改变目标三维圆对称光斑中不同光斑部分所在的焦平面位置。

可选的，所述聚焦单元为旋转椭球反射镜、聚焦透镜或者沿光路放置的平面反射镜与聚焦透镜的组合。

可选的，所述聚焦单元采用旋转椭球反射镜，所述旋转椭球反射镜包括入射方向的焦点和出射方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点；所述前焦点对应的焦平面记为前焦面；所述后焦点对应的焦平面记为后焦面；所述前焦点经整形单元中心点到聚焦单元中心点的距离之和为前焦距，所述后焦点到聚焦单元中心点的距离为后焦距；

根据光线传播中的等光程原理，在所述整形单元的反射镜面上r处的输入光束能量对应于工作面的光斑部分半径为R的光环，目标三维圆对称光斑半径为R处光环与初始圆对称光斑半径为r处光环的对应关系为：

其中，F

可选的，所述整形单元的反射面的不同区域边界采用匀化，以使镜面光滑无凹槽；所述整形单元的镜面通过以下方式进行匀化：从镜面中心沿半径做辐射状线条，同一线条上位于不同整形区域的加工点减去相位差值。

可选的，所述光源为激光器。

可选的，所述整形单元的反射面形状为非旋转对称的自由曲面。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明实施例提供了一种输出圆对称光斑的光学系统，整形单元采用匀化的圆对称反射镜；基于入射的高斯光束的能量分布和目标光场的光斑分布模式，设定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理、能量守恒原理，构建强度可调的目标三维圆对称光斑所对应的匀化圆对称反射镜的反射面的相位的曲面方程；同时，基于聚焦单元的预设前焦距和预设后焦距，构建聚焦单元的曲面方程；本发明通过双镜组合实现光束的准直、整形与聚焦，从激光光源得到强度可调圆对称光斑，无需其他光学元件，能够以较少的光学元件、精简的光路结构，实现输出高均匀度、强度可调、尺寸可调的圆对称光斑，且不同光斑部分处于相同/不同平面，适应于实际加工中不同场景的需求。

2、本发明实施例提供了一种输出圆对称光斑的光学系统，整形单元采用匀化的圆对称反射镜，反射镜面采用匀化后，解决了多段曲面组合时整个镜面的连续性问题，降低了复杂面形加工难度。进一步的，本发明的光斑整形可供选择的模式较多，不局限于高均匀度且强度可调圆对称光斑，而包含了更复杂的可编程强度分布圆对称光斑，如环凹光斑、环凸光斑；且环凹光斑、环凸光斑的各部分能量占比可调。

3、本发明实施例提供了一种输出圆对称光斑的光学系统，采用较少的光学元件构建光学系统，使得光学系统的调节难度更小，光路稳定性更好，损伤阈值更高；输出不同尺寸强度可调圆对称光斑所需的光学元件较少，减小了各元件加工误差或装配误差累积，使得本发明中的光斑整形系统能获得更稳定、更准确的输出；同时也减小了光路体积，具有更精简的光路结构，抗干扰能力更强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种输出平顶光斑的光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的整形单元的纵向偏移相位改变时，光斑位置变化的示意图；

图3是本发明实施例提供的整形单元的示意图；

图4是本发明实施例提供的整形单元反射镜面的侧视图；

图5是本发明实施例提供的整形单元反射镜面的主视图；

图6是本发明实施例1提供的一种输出平顶光斑的光学系统的目标光斑能量分布示意图；

图7是本发明实施例2提供的一种输出平顶光斑的光学系统的目标光斑能量分布示意图；

图8是本发明实施例3提供的一种输出平顶光斑的光学系统的目标光斑能量分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

如图1所示，一种输出平顶光斑的光学系统，包括：沿光路依次放置的光源1、整形单元3和聚焦单元5；

所述光源1用于产生高斯光束2；

所述整形单元3采用匀化的圆对称反射镜，用于改变入射的高斯光束的光斑分布模式，整形为尺寸可调的初始圆对称光斑，并出射到所述聚焦单元5上；

所述整形单元3的反射面的相位通过以下方式确定：根据入射的高斯光束的能量分布和目标三维圆对称光斑的能量分布，根据旋转椭球镜的点对点光线映射关系，构建整形单元的曲面方程，再根据能量分布确定镜面照射区域和对应的发散角，不同镜面照射区域叠加对应的横向偏移相位和纵向偏移相位；

所述聚焦单元5的中心位于所述整形单元3出射光束的中心轴线上，用于将经所述整形单元3整形后的初始圆对称光斑聚焦于工作面7的预设位置形成目标三维圆对称光斑；所述聚焦单元5的反射面的相位通过以下方式确定：基于所述聚焦单元的预设前焦距和预设后焦距，点对点光线映射关系，在平面镜上叠加聚焦相位，确定从光源到工作面的位置对应关系，构建聚焦单元的曲面方程。

可选的，所述聚焦单元为旋转椭球反射镜、聚焦透镜或者沿光路放置的平面反射镜与聚焦透镜的组合。在本实施例中，优选的，聚焦单元采用旋转椭球反射镜。

本发明实施例提供的一种输出平顶光斑的光学系统，是一种结构简单的依靠双镜组合输出强度可调圆对称光斑的光束整形系统；该光学系统的核心是整形单元采用匀化圆对称反射镜，聚焦单元采用旋转椭球反射镜；匀化圆对称反射镜具有将输入的高斯光束整形的功能，其反射镜面形状根据给定参数进行求解得出；旋转椭球反射镜具有将整形后的光束准直并聚焦地功能，其反射面形状根据预设焦距给出；本实施例提供的光学系统在具有输出强度可调和尺寸可调圆对称光斑的能力，同时，通过两个反射镜实现了准直、整形与聚焦功能，减少了光学元件；对匀化圆对称反射镜的曲面不连续处进行了匀化，使得镜面光滑无凹槽，降低了加工难度，同时可承受大功率激光作用；可以对目标光斑强度进行调整，实现圆对称光斑能量的可调分布。

在反射面形状完全确定的情况下，光学系统有确定的入射方向及出射方向；旋转椭球反射镜包括入射方向的焦点和出射方向上的焦点，分别记为前焦点和后焦点；前焦点对应的焦平面记为前焦面；后焦点对应的焦平面记为后焦面；前焦点经整形单元中心点到聚焦单元中心点的距离之和为前焦距，后焦点到聚焦单元中心点的距离为后焦距。由于整形单元将高斯光束整形为初始圆对称光斑，因此匀化圆对称反射镜的相位呈现非均匀梯度，当匀化圆对称反射镜的反射面形状不同(即相位设置不同)，光学系统所得的圆对称光斑的分布模式也不同。调节整形单元3的反射面相位从而改变整形后得到的圆对称光斑的分布，所述圆对称光斑包括：平顶光斑、环凹光斑、环凸光斑。根据整形单元的曲面方程，可以以预设焦平面上目标光斑的能量分布作为条件，进行求解后确定，其形状为非旋转对称的自由曲面。

如图1所示，整形单元3将由光源1发出的输入光束2整形为中间光束4，聚焦单元5通过反射面对中间光束4进行准直后发出出射光束6，出射光束6聚焦到后焦面7上，在后焦面7上得到确定尺寸的目标强度可调圆对称光斑8。其中，聚焦单元5采用旋转椭球反射镜，同时具有准直和聚焦功能。

组成输入光束的光线经过前焦点或近似经过前焦点后输入到匀化圆对称反射镜，且输入光束的入射方向与前焦面垂直；优选的，输入光束为位于前焦点处的光源1发出的高斯光束，示例性的，光源1为激光器。

整形单元3的反射面形状通过以下方式确定：基于预设目标光场的预设光斑强度分布，再基于光线传播的点对点光线映射关系，在反射镜面上设置非均匀梯度相位，根据能量守恒原理，使得镜面上不同位置处入射光线对应于目标光斑同等能量位置处，构建所述目标强度可调圆对称光斑所对应的反射面形状的曲面方程；其中，目标光场的光斑分布模式与所期望得到的强度可调圆对称光斑相对应。

具体地，通过将入射光场按照目标强度可调圆对称光斑的能量占比需求划分为多个部分，并将每一部分的能量分别映射到后焦平面上的对应位置，来确定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，如图1中，整形单元3的反射面上的窄光环9对应于后焦面7(工作面)上的窄光环10。

入射光场与目标光场的能量映射关系是根据入射光场能量分布、目标光场能量分布等条件确定得到的，其含义如下：将入射光场划分为多个窄圆环，如图1中光环9，将目标光场也划分为多个窄圆环，如图1中光环10；将入射光场中每部分的能量分别对应到目标光场中的某一部分，即入射光场中该部分中的光线经过光路传输后会到达目标光场的对应部分，这种能量对应的关系即为入射光场与目标光场的能量映射关系。上述映射关系在反射面形状上的具体表现形式为：反射面由一个平面反射镜为基础，在平面上各处加上相应的梯度相位，使得光源每部分出射光都偏折到后焦面的目标半径处，且保持能量对应；入射到反射面上的光束因此可视为分成了多个部分，入射到镜面上不同位置的光束分别被整形为强度可调圆对称光斑对应的一部分，所有部分共同构成目标强度可调圆对称光斑。

聚焦单元5的旋转椭球反射镜的反射面形状通过以下方式确定：

基于旋转椭球反射镜的预设前焦距、预设后焦距，根据旋转椭球镜的点对点光线映射关系，在反射镜面上附加对应的旋转椭球相位，确定从光源到目标面的位置对应关系，构建所述满足预设条件的旋转椭球的曲面方程，使得目标光斑位于预设位置处。

需要说明的是，定制反射面形状、更换不同镜面形状的匀化圆对称反射镜能引起的调节效果具体包括：焦平面上圆对称光斑能量分布可调、光斑尺寸可调，光学系统前、后焦距可调。

进一步的，通过调节横向偏移相位来改变目标三维圆对称光斑的光强分布，通过调节纵向偏移相位来改变目标三维圆对称光斑中不同光斑部分所在的焦平面位置。

如图2所示，调整纵向偏移相位前，光斑位置所在的焦平面记为旧目标，调整后的光斑位置所在的焦平面记为新目标。

其中，l为镜面上某处距离中心的距离，F

由反射关系，可知

进一步的，整形单元3的反射面镜面分区域方法：通过对发散角为θ

如图3所示，图中深灰色部分为能量占比为dot_part的光源照射区域S

给定总发散角θ

从而待求的边界发散角θ

针对不同的能量区域，根据曲面方程计算其相位，同一个能量区域的相位相同。

进一步，对整形聚焦单元3的反射面的镜面设计，如图4所示的镜面示意图中，光源到镜面中心的连线与目标点到镜面中心的连线夹角为90°，根据光源到镜面中心的距离F

可以求出最终的椭球方程为：

其中，x'、y'和z'分别为镜面上的点的坐标。

进一步，对整形单元3的反射面镜面进行镜面匀化，具体为：对整形单元的反射面的不同区域边界采用匀化，以使镜面光滑无凹槽，在图3所示的镜面示意图中，在深灰色区域S

Δ(R

从而，S

本发明实施例提供的一种输出圆对称光斑的光学系统，整形单元采用匀化的圆对称反射镜，聚焦单元采用旋转椭球反射镜，基于预设前焦距、预设后焦距和目标光场的光斑分布模式，设定入射光场与目标光场能量分布的映射关系，并结合等光程原理、能量守恒原理，构建目标强度可调圆对称光斑所对应的圆对称反射镜和旋转椭球反射镜的反射面形状的曲面方程，将光源发出的高斯光束整形、准直和聚焦后再工作面上生成目标三维圆对称光斑；并且调节圆对称反射镜的反射面的相位，对应调节生成的目标三维圆对称光斑的形状和能量分布。解决了如何尽可能地去简化光路，满足整形模式多样化的同时降低加工复杂度，提高稳定性和适用性的技术问题，以较少的光学元件、精简的光路结构，实现了输出高均匀度且强度可调的目标三维圆对称光斑，目标三维圆对称光斑的尺寸任意可调，适应于实际加工中不同场景的需求。

在一具体实施例中，记为实施例1，光学系统如图1所示，激光器作为光源1输出的未经过准直的高斯光束2入射到整形单元3上，被整形为中间光束4输出，中间光束4经聚焦单元5准直并聚焦后为输出光束6，输出光束6在后焦平7上的得到的光场分布为平顶。其中，整形单元3的镜面形状由后焦面上的强度可调圆对称光斑的光斑模式和能量映射关系计算得出；聚焦单元5的镜面形状由准直焦距F

根据光线传播中的等光程原理，在反射镜面上引入非均匀梯度相位，该梯度相位可实现目标入射光高斯强度分布向均匀强度分布的转变，使得镜面上r处的输入光束能量对应于目标平面光斑部分半径为R的光环，并且根据能量守恒原理求解光线的映射关系，目标三维圆对称光斑半径为R处光环与初始圆对称光斑半径为r处光环的对应关系为：

其中，F

根据上述方程即可解出匀化圆对称反射镜的反射面所对应的曲面方程z＝f(r,w)。

具体地，本实施例中，取旋转椭球反射镜前焦距为150mm，后焦距为300mm，强度可调圆对称光斑半径为10mm，后焦面上光斑能量分布如图6所示。

在另一具体实施例中，记为实施例2，提供了一种输出中心能量低于周围能量的环凹光斑的双镜类强度可调圆对称光斑光学系统，该光学系统整体结构与实施例1相同，不同之处仅在于目标三维圆对称光斑光强极坐标分布I

本实施例中匀化圆对称反射镜的反射面的曲面方程的计算方法与上述实施例中相同，也是根据等光程原理、能量守恒原理，将反射镜面上光斑能量与目标面光斑能量从内到外逐一对应，此处不再赘述。

具体地，本实施例中，旋转椭球反射镜前焦距为150mm，后焦距为300mm，环凹光斑半径为10mm，环凹光斑光强分布满足I∝R

在另一具体实施例中，记为实施例3，提供了一种输出中心能量高于周围能量的环凸光斑的双镜类强度可调圆对称光斑光学系统。该光学系统整体结构与实施例1相同，不同之处仅在于目标三维圆对称光斑光强极坐标分布I

具体地，本实施例中，前焦距为150mm，后焦距为300mm，环凸光斑半径为10mm，环凸光斑光强分布满足I∝(-R

在实施例1中，平顶光斑具有更加均匀的光强分布，不会导致部分曝光过量而部分曝光不足，适用于太阳能电池板等领域的微纳加工；在实施例2中，环凹光斑由于光斑中心强度低于外围强度，所取得的温度场分布更加接近于平顶分布，适用于高反材料的预热和复合激光加工；在实施例3中，环凸光斑相较于高斯光斑强度梯度更为平缓，所获得温度场分布接近梯形分布，适用于对温度敏感的非金属材料的激光切割、焊接等加工场景。

本领域的技术人员容易理解，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。