[发明专利]自适应激光束整形

说明书

一种用于对相干初级光束进行自适应分束的方法，该方法包括：通过用空间光调制器(SLM)对初级光束进行相位调制来产生期望的远场分布，引导初级相干光束以在空间光调制器的显示元件上反射，从而避免了任何移动元件对初级相干光束进行整形，在初级光束通过所述空间光调制器之后，从该初级光束提取监测光束和主光束，使用相机测量监测光束，将监测光束中的期望的远场分布引导到相机的传感器表面上。在第一选项中，该方法包括引导初级光束通过第一聚焦元件(L1)，该第一聚焦元件被配置为将远场分布聚焦到第一聚焦元件的聚焦平面上作为实输出分布，并且通过第一聚焦元件将监测光束中的远场分布聚焦到相机的传感器表面上。在第二选项中，该方法包括引导监测光束通过第二聚焦元件(L2)，该第二聚焦元件被配置为将远场分布聚焦在相机的传感器表面上。对于第一或第二选项，该方法还包括使用可变强度调节器来调节相机的动态范围，以根据远场分布来控制入射监测光束的强度，和配置闭环以使得能够进行空间光调制器的显示元件的相位计算，其中，将来自相机的输出信号输入所述闭环中，以进行控制器执行的相位计算算法的多次迭代，其中，在第一选项中，使用第一聚焦元件，而不包括第二聚焦元件，并且在第二选项中，使用第二聚焦元件，而不包括第一聚焦元件。

技术领域

本发明涉及相干或部分相干辐射的自适应光束整形的领域，着眼于并行直接结构化、微结构化和分束，以及用于加工材料的工业用途，其中，相位调制空间光调制器(SLM)用于光束整形。

背景技术

以下提供了多个出版物来描述本发明的背景。

仅在专业和科学文献中很少描述通过空间光调制器(SLM)进行激光辐射的自适应光束整形的方法。该领域最值得注意的出版物之一是Matti Silvennoinen于2014年发表的论文[SIL13]。其中描述的进行方法具有以下特性：

·使用超短辐射脉冲(脉冲宽度500ps)；

·使用相位调制的SLM进行光束整形；

·通过映射聚焦在中间平面(傅立叶平面)中的多个部分光束的直接结构化；和

·闭环用于迭代地确定相位并将其显示在SLM显示器上，其中，将闭环(CL)算法配置为通过相机测量每个迭代周期的输出光束分布，并将其重新注入作为迭代相位计算算法的输入。这样的算法在本文中将以缩写“CL”来引用。

公开的进行方式要求在SLM显示器的位置处知道输出分布或主激光束轮廓。其测量至少需要时间上的补充工作和改变光路的光学设置，这对于生产是不利的。

所公开的装置缺乏整体特征，即，对于CL而言必不可少的部分提取光束供相机进行测量是最终光学组的一部分，并且发生在最后的倾斜反射镜处。出于这个原因，光学装置及其操作方式相当不灵活。自适应光束整形可能仅针对整个微结构化系统实现，而无法针对光束本身实现。不幸的是，对于工业用途而言，该特性是一个真正的问题，只有通过困难才能克服，因为系统的构思必须针对每个加工任务进行专门调节，并且在此期间生产被停止。

此外，该系统不利用任何变换透镜来产生中间分布，该中间分布又可以缩小的比例投射。中间分布是通过将球形相位项添加到SLM上再现的原始相位分布而获得的，并充当虚拟透镜。这样做的好处是，未衍射的光束分量不会以零级聚合，而是扩展在整个输出分布上，因此会变得不那么明亮-至少对于大多数强度分布而言情况就是如此。这种方法的缺点是在相位表示中可能会丢失一些信息；请参见[SIL13]中的图3A。发生这种情况的原因是，由于球形被加数，相位表示中的空间频率朝边界增加，直到它们变得高于SLM显示器的分辨率为止。这也为此类球形被加数的焦距设置了下限，对于20×20μm²像素大小，下限约为500mm。直到焦距的此下限，SLM显示器不包含任何有用的相位信息，从而增加了零级内容的输出。这就是为什么它与最初提到的优点相反的原因。此外，这种朝向边界的信息丢失还可以解释以下事实：发生激光辐射的无序衍射，从而使辐射在多个角度上衍射，这些角度不是由初始光栅周期引起的，并且不再可以被CL校正。