[发明专利]输出为均匀线光斑的激光光束变换整形器

说明书

技术领域

本发明为一种输出为均匀线光斑的激光光束变换整形器，它是一种将光斑形状不规则(如：圆形、近圆形、椭圆形、近椭圆形、方形、近方形等)、能量分布不均匀(如：高斯分布、近高斯分布等)的激光光束经过光束变换整形为能量均匀分布、光斑形状近似为一条线的激光光束的光学系统，主要应用于激光抛光、激光清洗、激光致材料表面改性等，属于激光表面处理技术及其应用领域。

背景技术

激光表面处理技术及其应用领域所需的激光光斑根据所采用技术的不同而略有不同，其中，激光光斑形状通常为正方形、长方形或者形状近似为一条线，激光光斑能量分布通常为高斯分布、近高斯分布或者均匀分布。为了达到更高的表面处理效率，激光光斑形状通常采用形状近似为一条线的激光光斑，或者采用一边较短的长方形激光光斑，并配合工作台的快速移动形成扫描式的激光表面处理。为了达到更好的表面处理效果，激光光斑能量分布通常采用均匀分布。激光表面处理技术及其应用领域中的激光光束变换整形器通常包括扩束准直器、整形器和均匀器三个组成部分；对表面处理效果要求不高的激光光束变换整形器可以在某些情况下(如：入射激光为高斯光束或近高斯光束并在变换整形器中截取中心部分、入射激光分布较均匀等)将均匀器省略，甚至将扩束准直器与整形器合并。激光光束变换整形器的光学系统对光学成像质量要求不高，因此，对各组成单元的像差要求也不高，在设计时仅需考虑各组成单元的球差即可。激光光束变换整形器的光学系统通常针对单一波长进行设计，因此，在设计时通常针对单一波长进行材料的选择，即整个光学系统采用单一材料，不用考虑光学系统中色像差的校正问题；激光光束变换整形器的光学系统较少会对较为接近的多个波长进行设计，因此，在设计时较少会对较为接近的多个波长进行材料的选择，在对多个波长进行材料选择时，由于波长较为接近，因此，根据适用波段的不同，选择2-3种常用材料(如：K9，B270等)即可满足光学系统对色像差的校正要求。激光光束变换整形器通常要求尽可能多地利用输入的激光能量，因此其光学系统中所含镜片的数量不多，通常为不到10片。

目前，在激光表面处理技术及其应用领域中，所使用的激光光束变换整形器主要按照以下三种方式进行分类：

1.按照变换整形器对入射激光的要求，将变换整形器分为两类：第一类变换整形器的入射激光为高斯光束或近高斯光束；第二类变换整形器的入射激光为具有某种光斑能量分布和发散特征的非均匀光束(非高斯光束、非近高斯光束)。其中，第一种变换整形器通常针对特定参数的高斯激光或近高斯激光进行设计，针对不同参数设计的变换整形器不能通用，例如：“高斯-平顶”变换整形器等；第二种变换整形器通常针对具有某种光斑能量分布和发散特征的非均匀激光光束进行设计，只要非均匀激光光束的光斑能量分布和发散特征在设计范围内，非均匀激光即可通用变换整形器，例如：光波导均束变换整形器等。

2.按照变换整形器控制出射激光光斑形状的方法，将变换整形器分为两类：第一类变换整形器通过遮挡体对激光光束进行遮挡，吸收激光光束边缘部分的激光能量，从而控制出射激光光斑形状；第二类变换整形器通过内部由反射镜、透镜和棱镜等组成的光学系统对入射激光进行变换整形，从而控制出射激光光斑形状。其中，第一种变换整形器中存在较大的激光能量损失，激光能量输出输入比较低，当对较高功率激光进行变换整形时，需要风冷系统或水冷系统进行配合，从而保障变换整形器的正常使用，例如：带有光阑的望远镜系统等；第二种变换整形器中不存在激光光束的遮挡体，激光能量损失较小、输出输入比较高，当对较高功率激光进行变换整形时，不需要风冷系统或水冷系统进行配合，例如“高斯-平顶”变换整形器等。

3.按照变换整形器均匀激光光束的方法，将变换整形器分为三类：第一类变换整形器通过特定光学系统(如：自由曲面等)对入射激光激光波前进行控制，从而实现均匀激光光束的作用，例如：“高斯-平顶”变换整形器等；第二类变换整形器通过在光学系统中引入光波导，使入射激光在光学系统中多次反射，从而实现均匀激光光束的作用，例如：光波导均束变换整形器等；第三类变换整形器通过对入射激光光束进行光束分割和光束叠加，从而实现均匀激光光束的作用，例如：复眼均束变换整形器等。