本發(fā)明涉及激光應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種高斯激光束整形裝置及方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形裝置及方法。

背景技術(shù)：
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激光是光學(xué)史乃至整個(gè)科技發(fā)展史上具有里程碑意義的重要發(fā)明。激光加工是一種非接觸加工方式，具有能量密度高、方向性好、高相干性、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)(參考文件：基于空間光調(diào)制器的飛秒并行加工方法研究)，使其在信息技術(shù)、材料加工、測(cè)試計(jì)量技術(shù)、生物技術(shù)以及國(guó)防工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值(參考文件：高斯光束整形技術(shù)研究)。目前國(guó)際上激光加工技術(shù)研究的一個(gè)重要特點(diǎn)是覆蓋內(nèi)容廣、發(fā)展速度快。特別是在航空、航天領(lǐng)域，激光已經(jīng)成為加工特種零件的有效手段(參考文件：光束整形及其在飛秒激光微加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究)。

然而，激光光束能量一般呈高斯分布,在諸如激光焊接、生物醫(yī)學(xué)工程等技術(shù)領(lǐng)域,這種能量非均勻分布的特性會(huì)導(dǎo)致材料在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生熱累積，從而破壞材料特性，影響加工效果的一致性。特別是在金屬材料加工過程中，這種熱累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致微裂紋、重鑄層、再結(jié)晶等加工缺陷，極大的制約了激光微加工技術(shù)在航空、航天等對(duì)器件可靠性要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，需要將高斯光束轉(zhuǎn)化為能量分布均勻的平頂光束以消除不良影響。

由于高斯光束中心區(qū)域能量分布較為均勾，所以最初采用孔徑光闌法，在光束前加入孔徑光闌，濾掉邊緣區(qū)域能量，只保留中心區(qū)域能量分布較為均勻的光束以獲得平頂光束(參考文件：F.M.Dickey and S.C.Holswade,Historical perspective of laser beam shaping.[C].Pro.of SPIE,2002:27-47)。這種方法光路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且成本很低，但是激光能量利用率低，大部分能量都被遮擋，并且會(huì)伴隨嚴(yán)重的邊緣衍射效應(yīng)，不利于在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。為了解決孔徑光闌法能量利用率低的問題，人們先后提出了多種能量利用率高的高斯光束整形技術(shù),將激光光束轉(zhuǎn)化為能量均勻分布的平頂光束，例如：非球面透鏡法、微透鏡陣列法、雙折射透鏡組法以及長(zhǎng)焦深整形元件法。

非球面透鏡法整形技術(shù)具有能量利用率高、耐高溫、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是,非球面透鏡整形系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)需大量數(shù)學(xué)運(yùn)算,設(shè)計(jì)結(jié)果需要帶入現(xiàn)有的光學(xué)軟件中反復(fù)校驗(yàn)，不利于計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。微透鏡陣列是通過先分割后疊加的方式實(shí)現(xiàn)整形，重疊率有所差異，光斑在局部區(qū)域分布不均勻，同時(shí)微透鏡陣列之間的縫隙會(huì)產(chǎn)生衍射和干涉效應(yīng)，降低了能量利用率。雙折射透鏡組法靈活方便、可隨入射光的改變而改變，但是雙折射晶體透鏡的制作成本、加工水平制約了該方法的發(fā)展。長(zhǎng)焦深元件制作困難、加工成本較高、加工精度差，這些因素都影響了該技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中加工成本高、衍射和干涉影響大、計(jì)算復(fù)雜、靈活性差的問題，本發(fā)明提供了一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形裝置及方法。

本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形裝置，其特征在于：包括激光器、擴(kuò)束鏡、第一反射鏡、快門、第二反射鏡、空間光調(diào)制器、第一透鏡、光闌、分束鏡、第三反射鏡、第二透鏡、工作臺(tái)、第三透鏡、CCD相機(jī)和電腦；所述第一透鏡和所述第二透鏡組成第一光學(xué)4f系統(tǒng)，所述第一透鏡和第三透鏡組成第二光學(xué)4f系統(tǒng)；所述激光器產(chǎn)生的激光依次通過所述擴(kuò)束鏡、第一反射鏡、快門、第二反射鏡后入射到所述空間光調(diào)制器上，出射光經(jīng)過所述第一透鏡、光闌后入射到所述分束鏡內(nèi)；經(jīng)所述分束鏡后激光分成兩部分，一部分通過第一光學(xué)4f系統(tǒng)把空間光調(diào)制器近場(chǎng)的像傳遞到工作臺(tái)上的待加工表面，另一部分通過第二光學(xué)4f系統(tǒng)將整形后的光束傳遞到CCD相機(jī)中進(jìn)行觀察；所述電腦分別與所述快門、空間光調(diào)制器、CCD相機(jī)連接，用于控制所述快門、空間光調(diào)制器、CCD相機(jī)工作。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：利用空間光調(diào)制器的控制軟件生成模擬二元光柵，在模擬的二元光柵中加入需要整形的圖案形成掩模圖；

步驟2：將步驟1中得到的掩模圖加載到空間光調(diào)制器上；

步驟3：把激光器發(fā)出的高斯光以小于10°的入射角入射到空間光調(diào)制器上；

步驟4：將經(jīng)過空間光調(diào)制器后發(fā)生衍射的高階光用光闌去除；

步驟5：將發(fā)生反射的零階光利用第一光學(xué)4f系統(tǒng)把空間光調(diào)制器近場(chǎng)的像傳遞到工作臺(tái)上的待加工表面；

步驟6：使用分光鏡把能量10％零階光通過第二光學(xué)4f系統(tǒng)將整形后的光束傳遞到CCD相機(jī)中進(jìn)行觀察。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)液晶SLM操作方便、使用靈活；

(2)本發(fā)明方法使用的掩模圖為二元光柵和整形圖案相結(jié)合的圖形，不需要復(fù)雜計(jì)算，節(jié)約時(shí)間；

(3)本發(fā)明方法利用4f成像系統(tǒng)，理論上最終成像的激光束為平行光束，可在3f之后的任意位置加工，克服了景深的限制；

(4)本發(fā)明方法可以有效避免衍射和干涉的影響，提高了光束質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖；

圖3(a)(b)為本發(fā)明實(shí)施例加載到空間光調(diào)制器上的掩模圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的反射式二元光柵原理圖；

圖5(a)(b)為本發(fā)明實(shí)施例中獲得的不同形態(tài)的平頂激光束光強(qiáng)分布圖。

其中：1是激光器，2是擴(kuò)束鏡，3是第一反射鏡，4是快門，5是第二反射鏡，6是空間光調(diào)制器，7是第一透鏡，8是光闌，9是分束鏡，10是第三透鏡，11是第三反射鏡，12是第二透鏡，13是工作臺(tái)，14是CCD相機(jī)，15是電腦。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)見圖1，本發(fā)明提供的一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形裝置，包括激光器1、擴(kuò)束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5、空間光調(diào)制器6、第一透鏡7、光闌8、分束鏡9、第三透鏡10、第三反射鏡11、第二透鏡12、工作臺(tái)13、CCD相機(jī)14和電腦15；所述第一透鏡7和所述第二透鏡12組成第一光學(xué)4f系統(tǒng)，所述第一透鏡7和第三透鏡10組成第二光學(xué)4f系統(tǒng)；激光器1產(chǎn)生的激光依次通過擴(kuò)束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5后入射到空間光調(diào)制器6上，出射光經(jīng)過第一透鏡7、光闌8后入射到分束鏡9內(nèi)；經(jīng)分束鏡9后激光分成兩部分，一部分通過第一光學(xué)4f系統(tǒng)把空間光調(diào)制器6近場(chǎng)的像傳遞到工作臺(tái)13上的待加工表面，另一部分通過第二光學(xué)4f系統(tǒng)將整形后的光束傳遞到CCD相機(jī)14中進(jìn)行觀察；電腦15分別與快門4、空間光調(diào)制器6、CCD相機(jī)14連接，用于控制快門4、空間光調(diào)制器6、CCD相機(jī)14工作。

本實(shí)施例由電腦15控制掩模圖的自動(dòng)切換，并且與激光的重復(fù)頻率和工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)高速、任意形態(tài)的加工。

請(qǐng)見圖2，本發(fā)明提供的一種基于空間光調(diào)制器的激光光束整形方法，包括以下步驟：

步驟1，首先利用空間光調(diào)制器SLM(以下簡(jiǎn)稱“SLM”)6的控制軟件生成模擬二元光柵，再利用畫圖軟件在模擬的二元光柵中加入需要整形的圖案后，得到如圖3所示的掩模圖。調(diào)節(jié)整形區(qū)域圖形灰度值為0，二元光柵灰度值分別為0、105；

步驟2，將步驟一中得到的掩模圖加載到SLM6上，移動(dòng)掩模圖位置，使圖形中心與激光光斑中心重合。本實(shí)施例采用的SLM6為Hamamatsu生產(chǎn)的純相位空間光調(diào)制器，型號(hào)為X10468-02，幀速率為60Hz；

步驟3，激光器1產(chǎn)生的高斯光束能量經(jīng)過衰減后，以小于10°的入射角度入射到SLM6上，入射的高斯光束照射到光柵部分會(huì)發(fā)生衍射，照射到灰度值為0的整形圖形部分會(huì)發(fā)生全反射，其原理如圖4所示。本實(shí)施例采用的激光器1脈寬為100fs，單脈沖能量為25μJ，重復(fù)頻率為10kHz；

步驟4，使用孔徑光闌8將發(fā)生衍射的高階光去除，只保留發(fā)生全反射的零階光，用于加工；所述孔徑光闌大小可調(diào)，調(diào)控范圍為1～12mm；

步驟5，利用光學(xué)4f成像原理，使用第一透鏡7和第二透鏡12組成第一光學(xué)4f成像系統(tǒng)，將零階光在SLM6近場(chǎng)形成的像傳遞到待加工表面。成像大小可根據(jù)掩模圖中整形區(qū)域圖形大小和第一光學(xué)4f成像系統(tǒng)中透鏡焦距來調(diào)節(jié)。本實(shí)例中第一透鏡7焦距為1000mm，第二透鏡12焦距為30mm；第一透鏡7位于SLM6后1000mm處，第二透鏡12位于第一透鏡7后1030mm處。第一光學(xué)4f成像系統(tǒng)最終成像為平行的平頂光；

步驟6，為了檢測(cè)整形后光斑能量分布，在第一透鏡7后950mm處加入分束鏡9，分出來的光經(jīng)過由第一透鏡7和第三透鏡10組成的第二光學(xué)4f系統(tǒng)后最終的成像入射到CCD相機(jī)14中，用于觀測(cè)整形之后的光束，檢測(cè)結(jié)果如圖5(a)(b)所示。分束鏡9能量透射率為90％，反射率為10％；經(jīng)過分光鏡的光源為去除高階光后的零階光；第一透鏡7和第三透鏡10，焦距都為1000mm；第三透鏡10位于第一透鏡7后2000mm處；CCD相機(jī)位于第三透鏡10后任意位置；檢測(cè)結(jié)果圖5(a)(b)分別為整形得到的平頂方形與圓環(huán)。

盡管本說明書較多地使用了激光器1、擴(kuò)束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5、空間光調(diào)制器6、第一透鏡7、光闌8、分束鏡9、第三透鏡10、第三反射鏡11、第二透鏡12、工作臺(tái)13、CCD相機(jī)14和電腦15等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其他術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。