[发明专利]一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法，装置由激光器、扩束镜、第一反射镜、快门、第二反射镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、分束镜、第三反射镜、第二透镜、工作台、第三透镜、CCD相机和电脑组成；本发明首先根据目标形状需求设计掩模图，然后将得到的掩模图加载到空间光调制器上，去除光学衍射的高阶光后，利用由第一透镜和第二透镜组成的光学4f系统将零阶光在空间光调制器近场形成的像传递到待加工表面，最后使用CCD相机进行观测；本发明不需要复杂计算，节约时间；终成像的激光束为平行光束，可在3f之后的任意位置加工，克服了景深的限制；可以有效避免衍射和干涉的影响，提高了光束质量。

技术领域

本发明涉及激光应用领域，涉及一种高斯激光束整形装置及方法，更具体地说，本发明涉及一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法。

背景技术：

激光是光学史乃至整个科技发展史上具有里程碑意义的重要发明。激光加工是一种非接触加工方式，具有能量密度高、方向性好、高相干性、热影响区小等优点(参考文件：基于空间光调制器的飞秒并行加工方法研究)，使其在信息技术、材料加工、测试计量技术、生物技术以及国防工业等相关领域具有重大应用价值(参考文件：高斯光束整形技术研究)。目前国际上激光加工技术研究的一个重要特点是覆盖内容广、发展速度快。特别是在航空、航天领域，激光已经成为加工特种零件的有效手段(参考文件：光束整形及其在飞秒激光微加工领域的应用研究)。

然而，激光光束能量一般呈高斯分布,在诸如激光焊接、生物医学工程等技术领域,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积，从而破坏材料特性，影响加工效果的一致性。特别是在金属材料加工过程中，这种热累积效应会导致微裂纹、重铸层、再结晶等加工缺陷，极大的制约了激光微加工技术在航空、航天等对器件可靠性要求较高领域的应用。因此，需要将高斯光束转化为能量分布均匀的平顶光束以消除不良影响。

由于高斯光束中心区域能量分布较为均勾，所以最初采用孔径光阑法，在光束前加入孔径光阑，滤掉边缘区域能量，只保留中心区域能量分布较为均匀的光束以获得平顶光束(参考文件：F.M.Dickey and S.C.Holswade,Historical perspective of laserbeam shaping.[C].Pro.of SPIE,2002:27-47)。这种方法光路简单、易于实现且成本很低，但是激光能量利用率低，大部分能量都被遮挡，并且会伴随严重的边缘衍射效应，不利于在工程实践中广泛应用。为了解决孔径光阑法能量利用率低的问题，人们先后提出了多种能量利用率高的高斯光束整形技术,将激光光束转化为能量均匀分布的平顶光束，例如：非球面透镜法、微透镜阵列法、双折射透镜组法以及长焦深整形元件法。

非球面透镜法整形技术具有能量利用率高、耐高温、成本低等优点，但是,非球面透镜整形系统参数的设计需大量数学运算,设计结果需要带入现有的光学软件中反复校验，不利于计算机软件自动优化设计。微透镜阵列是通过先分割后叠加的方式实现整形，重叠率有所差异，光斑在局部区域分布不均匀，同时微透镜阵列之间的缝隙会产生衍射和干涉效应，降低了能量利用率。双折射透镜组法灵活方便、可随入射光的改变而改变，但是双折射晶体透镜的制作成本、加工水平制约了该方法的发展。长焦深元件制作困难、加工成本较高、加工精度差，这些因素都影响了该技术在工程领域的应用。

发明内容

为了克服现有技术中加工成本高、衍射和干涉影响大、计算复杂、灵活性差的问题，本发明提供了一种基于空间光调制器的激光光束整形装置及方法。