[发明专利]一种激光束空间动态整形装置及方法

说明书

本发明公开了一种激光束空间动态整形装置及方法。该装置包括：依次设置的激光预分束单元、激光空间调制单元和光路变换单元；激光预分束单元将入射激光束预分束；激光空间调制单元将预分束后的两束激光束进行再次分束，得到两束0级衍射激光、一束‑1级衍射激光和一束+1级衍射激光；激光空间调制单元的驱动功率和驱动频率可调，驱动功率调制四束衍射激光的强度，驱动频率调制一束‑1级衍射激光和一束+1级衍射激光的角度；光路变换单元改变调制后的四束衍射激光的方向，形成合束激光，在工作面处形成整形后的光斑。实现了通过两组分束器件对高斯光束的高速动态整形。

技术领域

本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种激光束空间动态整形装置及方法。

背景技术

在传统的激光加工中，多采用高斯型激光光束，该模式光束中心能量高，四周能量低，在加工中将导致热烧蚀不均匀，从而引起加工质量差、热影响严重等问题。随着激光加工向精密制造方向快速发展，激光加工对激光光斑强度的空间分布有了更多的要求，如需采用平顶匀化光斑，空心光斑、条形光斑等，需要将传统高斯光束整形为其他光斑特性的激光束。因此，激光光束空间整形器成为激光精密加工中光场调控的核心器件。

激光光束空间动态整形器的主要作用是将一束能量/功率较高的高斯激光在空间形状上进行能量重新分配变换，达到不同的空间光束形状，以适配不同的加工要求。根据光束变换原理，可以将激光整形器分为折射激光整形器和衍射激光整形器。传统折射整形器如透镜阵列及棱镜阵列，这类整形器是对输入激光进行折射变换。衍射激光整形器利用光的衍射特性，在器件表面不同位置处对激光波前进行相位与强度调控，各位置光束衍射传输并干涉叠加，以达到对激光光束的空间整形。目前有多种光学器件可以制作衍射整形器，包括DOE元件、衍射型微透镜阵列、基于液晶的空间光调制器等。

但是，传统折射整形的变换方式单一，调制精度低；衍射激光整形器中DOE元件制作复杂，对入射光的光束特性要求较高，多种光束变换效果需要不同DOE元件协调使用，增加了系统成本，衍射型微透镜阵列对入射光的光束特性要求较高，空间分辨率较低，基于液晶的空间光调制器能够动态调整光束的空间相位、强度与偏振态，但是其价格昂贵、光阈值功率低，不适用于高平均功率、高峰值功率、大单脉冲能量激光的整形。

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激光束空间动态整形装置及方法，旨在解决大功率激光束整形系统构成复杂，且装置成本较高，体积较大的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种激光束空间动态整形装置，包括：依次设置的激光预分束单元、激光空间调制单元和光路变换单元；

所述激光预分束单元用于将入射激光束预分束，分为两束夹角为二倍布拉格衍射角的激光束；

所述激光空间调制单元，用于将预分束后的两束激光束进行再次分束，得到两束0级衍射激光、一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光；

所述激光空间调制单元的驱动功率和驱动频率可调，所述驱动功率用于调制四束衍射激光的强度，所述驱动频率用于调制一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光的角度；

所述光路变换单元用于改变调制后的四束衍射激光的方向，形成合束激光，在工作面处形成整形后的光斑。

可选的，所述激光空间调制单元包括：超声场产生模块和声光偏转模块；

所述超声场产生模块设置于所述声光偏转模块的底部，用于产生超声场覆盖所述声光偏转模块；

所述声光偏转模块沿光路方向设置于所述激光预分束单元后方，用于使预分束后的两束激光束在超声场的作用下发生衍射，形成一束-1级衍射激光和一束+1级衍射激光。

可选的，所述超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能器和声光互作用介质；

所述声光互作用介质设置在声光偏转模块内；