CN114859565A - 一种同轴反射式激光光束整形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同轴反射式激光光束整形方法及装置，可用于将激光器输出光束的光强整形为所需要的环形分布，并能够有效补偿光强整形所产生的相位变化。本发明采用两片非球面反射镜，第一块非球面反射镜实现入射激光光束的能量发散光强整形，使得反射光在第二块非球面反射镜处实现所需要均匀平顶光的能量分布；第二块非球面反射镜负责对光束进行准直和相位补偿，使得输出的光束不仅为平顶光束，还具有近衍射极限的相位分布。本发明是集光束整形、光束准直和相位校正于一体的，具有结构紧凑、抗损伤阈值高、整形均匀化效果好等特点，应用前景广泛。

Description

一种同轴反射式激光光束整形方法及装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种同轴反射式激光光束整形方法及装置。

背景技术

激光自从激光器问世以来，激光就因为其自身具有很好的单色性、方向性、发散小以及亮度高等特性，广泛应用于各个领域。例如激光切割，激光打印，激光通讯，激光测量技术等。在军工、民用以及科研等方面有着突出的贡献。但是激光器发出的激光的光束截面的光强是呈高斯分布的，即通常所说的高斯光束，光束的能量分布是中心能量高边缘能量低，中心的光强和边缘的光强一般相差很大，其次高斯光束是沿双曲线传播的，这些特性都限制了激光在众多领域的发展。所以就要对激光光束进行整形，整形后的光束一般为平顶光束，其能量分布较为均匀，输出的光束截面根据不同情况的需要可以为各种形状，圆形、矩形或环形等。例如在光刻领域，为了使得刻蚀出的线条均匀流畅，要求用于刻蚀的激光的辐照度分布较为均匀；在激光材料加工和激光焊接的过程中，高斯光束的能量分布不均匀的特性会降低能量利用率，甚至会降低加工精度，一般要求整形为平顶光；高能激光系统中，高斯光束会导致光学元件的非均匀热变形以及严重的热晕，影响聚焦效果。所以高能激光的光强分布应该尽量均匀，以防止镜面破坏、热变形和不均匀热晕造成的光束漂移与发散。

环形激光光束，即中心强度较低的激光束，在医学、生物技术、微电子学、光信息处理和材料科学等领域中有着广泛的应用。近年来发现对于一些特定的加工应用，如激光冲击成形，环形光束也具有一定的优势，环形平顶光束能够进一步扩展环形激光的用途。

国内外对高斯光束的整形已经进行了很多研究，提出了很多种整形的方法。最早应用的硬边光阑拦截的方法，即在激光束前置一小孔光阑，截取高斯光束中心光能分布较为均匀的区域，过滤掉边缘能量分布不均的部分，这种方法成本低，操作简单，其缺点就是光能损失严重，且当光阑孔径较小时存在较为明显的近场衍射效应。为了解决光能利用率的问题，国内外学者研究并提出了多种无损或光束损耗较低的整形方法，其中应用较多的方法包括以下几种：非球面光束整形法、微透镜阵列光束整形法、液晶空间光调制器光束整形法、二元光学元件光束整形法等。其中衍射光学元件光束整形技术和液晶空间光调制器光束整形技术不适用于高功率激光的光束整形；微透镜阵列光束整形技术仅仅适用于光束的远场焦斑形状整形，微透镜之间存在一定的间隔会降低光能的利用率，微透镜的边缘还会发生一定的衍射现象，而且子光束的相干叠加也会影响光束整形的质量。总体而言，目前常用的这几种激光光束整形方法在用于高功率激光光束整形时均存在各自的缺陷。相对于上述光束整形系统，双非球面镜光束整形系统在光束传输路径上放置两块非球面镜，第一块非球面镜调整入射光束的相位分布在第二块非球面镜位置处形成所需要的光强分布，第二块非球面镜负责补偿光强整形后光束的相位分布，使得输出光束不仅仅具有所需要的光强分布，还具有近衍射极限的相位分布。然而传统非球面透镜整形系统无法将高斯光束整形为平顶均匀的环形光。

针对现有技术存在的不足之处，本发明提出了一种同轴反射式激光光束整形方法及装置。如图2所示，有效地将圆形高斯光束的光强整形和波前矫正融为一体，采用同轴反射镜将入射光整形为环形平顶光束。提出了新的双非球面反射镜面型分布设计方法，有效解决了传统非球面透镜无法实现环形光束整形的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种同轴反射式激光光束整形方法及装置。本发明融合光强整形和光强整形后光束波前校正于一体，不仅可以改变出射光束的光强分布，还可以补偿光强整形后光束的波前相位分布，使得整形后输出光束同时具有所需要的光强分布和近衍射极限的相位分布。通过双非球面反射镜实现环形高斯光束的整形，相对于传统非球面透镜整形，本发明整形效率高、系统结构简单紧凑、出射为环形光束、适用范围广。

本发明采用的技术方案为：

一种同轴反射式激光光束整形方法，采用两个非球面反射镜组成的双非球面反射镜组，用于将平行入射的激光光束整形为空心平顶光束，所述的双非球面反射镜组的设计步骤如下：

(1).根据入射激光光束的光强分布f_input(r)和所要实现的目标光强分布g_output(r)，基于能量守恒定律

计算得到入射光束在非球面反射镜S1的径向出射位置r与出射光束在非球面反射镜S2的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

(2).根据入射光束在非球面反射镜S1的径向出射位置r与出射光束在非球面反射镜S2的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)，设计同轴反射式激光光束整形装置的非球面反射镜S1和非球面反射镜S2的面型分布；由于所设计的非球面反射镜组中的非球面反射镜S1的非球面与非球面反射镜S2的非球面均为旋转轴对称所以只需要设计非球面的母线即可，以所述的非球面反射镜组的轴线为z轴，非球面反射镜S1的起始点为原点建立空间直角坐标系o-xyz，并以xoy为底平面、z轴为纵轴建立柱坐标系；非球面反射镜S1的面型分布如下式所示：

式中，z(r)为非球面反射镜S1镜面径向位置r处的面型垂度；_L为两块非球面起始点的距离，Z₀和Y₀为非球面反射镜S2的起始点在非球面反射镜S1起始点的相对坐标值；

(3).非球面反射镜S2的面型分布如下式所示：

式中，z(R)为非球面反射镜S2镜面镜像位置R处的面型垂度；

进一步地，沿入射光束的传播方向上设置两个同轴的两个非球面反射镜，非球面反射镜S1用于实现激光光束光强分布的整形，将入射光束进行均匀发散，使得在非球面反射镜S2处形成所需要的光强分布，非球面反射镜S2用于实现对光强整形后的光束进行相位补偿与光束准直。

进一步地，该整形方法可以将激光光束整形为近衍射极限的环形平顶光束。

进一步地，可以用于将高斯光束整形为具有所需要光强分布的环形光束，还可以用于将其它具有光强对称分布的激光束整形为具有所需要光强分布的光束。

一种同轴反射式激光光束整形装置，包括两个非球面反射镜组成的非球面反射镜组，用于将平行入射的激光光束反射后对目标面进行环形照明，所述的两个非球面反射镜为非球面反射镜S1和非球面反射镜S2，所述的非球面反射镜组的设计方法包括以下几个步骤：

(1)建立环形激光光束整形要求，选定平顶光束模型，确定入射与出射的映射关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

(2)以所述的非球面反射镜组的轴线为z轴，非球面反射镜S1的起始点为原点建立空间直角坐标系o-xyz，并以xoy为底平面、z轴为纵轴建立柱坐标系，激光光束方向与z轴平行，记S1面上的任意一点为(x,y,z(x,y))，非球面反射镜S2的起始点相对于非球面反射镜S1面的坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，非球面反射镜S2上的点在以非球面反射镜S2的起始点为原点的局部坐标系中的坐标为(X,Y,Z(X,Y))；其中，z(x,y)为坐标(x,y)的z点坐标，Z(X,Y)为坐标(X,Y)的Z点坐标；

(3)根据光线在非球面反射镜S1与非球面反射镜S2之间反射点的对应关系，假设入射光束和出射光束均平行于光轴，且输出与输入的波前均为平面波，这里就引入等光程原理，建立等光程方程，母线在_yoz平面：

(Y₀+Y-y)²＝(L-Z₀)(L+Z₀+2(Z(Y)-z(y)))

其中，z(y)为在2维平面内非球面反射镜S1母线的方程，Z(Y)为非球面反射镜S2母线的方程；

(4)利用Snell定律并带入等光程条件可以得到z(y)的偏导：

(5)将上式转换为柱坐标系，并对r进行积分就可以得到非球面反射镜S1的面型方程：

(6)将求得的z(r)带回等光程条件可以得到非球面反射镜S2的面型方程：

进一步地，沿入射光束的传播方向上设置两个同轴的两个非球面反射镜，非球面反射镜S1用于实现激光光束光强分布的整形，将入射光束进行均匀发散，使得在非球面反射镜S2处形成所需要的光强分布，非球面反射镜S2用于实现对光强整形后的光束进行相位补偿与光束准直。

进一步地，该整形方法可以将激光光束整形为近衍射极限的环形平顶光束。

进一步地，可以用于将高斯光束整形为具有所需要光强分布的环形光束，还可以用于将其它具有光强对称分布的激光束整形为具有所需要光强分布的光束。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所设计的系统相比于现有的环形光束整形系统，传输效率更高，反射镜的激光抗损伤阈值更高。

(2)本发明所设计非球面反射镜相比于现有技术中的自由曲面反射镜或衍射光学元件来说加工难度较低，易于生产和检测，适用于批量生产。

(3)本发明的提出的系统的结构相比现有技术设计的系统结构更紧凑，有利于小型化、轻量化设计。

附图说明

图1为非球面反射镜面型计算原理图；

图2为同轴反射式激光光束整形装置中典型光线传输示意图；

图3为同轴反射式激光光束整形装置的设计流程图；

图4为本发明双非球面反射镜整形系统整形输出光束光强分布示意图；

图5为本发明双非球面反射镜整形系统整形输出光束OPD示意图。

具体实施方式

下面为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明同轴反射式激光光束整形装置，是为了解决现有的环形激光整形技术的不足，现有环形光束整形技术大多采用的自由曲面反射镜或是衍射光学元件，加工困难，成本很高，为了降低加工难度，设计同轴非球面反射镜激光整形系统，实现了更高的传输效率的同时，降低了反射镜的加工难度，使得设计能用于实际的生产与实验中，本发明设计的同轴反射式激光光束整形装置，由非球面反射镜S1和非球面反射镜S2组成，如图2所示，其具体工作过程如下，激光器输出光束通过非球面反射镜S1反射发散，会在非球面反射镜S2的位置处形成具有所需光强分布的光束，此光束通过非球面反射镜S2的后镜面进行相位补偿后，变为具有所需光强分布的准直光束，使得输出环形空心激光束不仅仅具有所需要的光强分布，还具有近衍射极限的相位分布。

本发明同轴反射式激光光束整形方法，构建流程如图3所示，具体采用如下步骤：

1.根据入射光束的光强分布f_input(r)和所要实现的目标光强分布g_output(r)，基于能量守恒定律

计算得到入射激光光束在非球面反射镜S1的径向出射位置r与出射光束在非球面反射镜S2的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)。

2.建立环形激光光束整形要求，选定平等光束模型，确定入射与出射的映射关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

3.如图1所示，以所述的非球面反射镜组的轴线为z轴，非球面反射镜S1的起始点为原点建立空间直角坐标系o-xyz，并以xoy为底平面、z轴为纵轴建立柱坐标系，激光光束方向与z轴平行，记S1面上的任意一点为(x,y,z(x,y))，S2的起始点相对于S1面的坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，S2上的点在以S2的起始点为原点的局部坐标系中的坐标为(X,Y,Z(X,Y))；其中，z(x,y)为坐标(x,y)的z点坐标，Z(X,Y)为坐标(X,Y)的Z点坐标；

4.由于所设计的非球面反射镜组中的非球面反射镜S1与非球面反射镜S2均为旋转轴对称所以只需要设计非球面的母线即可，所以这里的面型公式就只用考虑y轴即可，公式中省略x轴项，根据光线在S1面与S2面之间反射点的对应关系，假设入射光束和出射光束均平行于光轴，且输出与输入的波前均为平面波，这里就引入等光程原理，建立等光程方程(母线在yoz平面)：

(Y₀+Y-y)²＝(L-Z₀)(L+Z₀+2(Z(Y)-z(y)))

其中，z(y)为在2维平面内非球面反射镜S1母线的方程，Z(Y)为非球面反射镜S2母线的方程；

5.利用Snell定律并带入等光程条件可以得到z(y)的偏导：

6.将上式转换为柱坐标系，并对r进行积分就可以得到非球面反射镜S1的面型方程：

7.将求得的z(r)带回等光程条件可以得到非球面反射镜S2的面型方程：

8.将映射函数R＝h(r)与r＝h^-1(R)代入面型函数z(r)和z(R)中计算出非球面反射镜S1和非球面反射镜S2的面型模型，代入ZEMAX软件中进行仿真，整形效果如图4所示，光程差如图5所示。

以上所述是本发明的优选实施方式本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的设计方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种同轴反射式激光光束整形方法，采用两个非球面反射镜组成的双非球面反射镜组，用于将平行入射的激光光束整形为空心平顶光束，其特征在于：所述的双非球面反射镜组的设计步骤如下：

(1).根据入射激光光束的光强分布f_input(r)和所要实现的目标光强分布g_output(r)，基于能量守恒定律

计算得到入射光束在非球面反射镜S1的径向出射位置r与出射光束在非球面反射镜S2的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

(2).根据入射光束在非球面反射镜S1的径向出射位置r与出射光束在非球面反射镜S2的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)，设计同轴反射式激光光束整形装置的非球面反射镜S1和非球面反射镜S2的面型分布；由于所设计的非球面反射镜组中的非球面反射镜S1的非球面与非球面反射镜S2的非球面均为旋转轴对称所以只需要设计非球面的母线即可，以所述的非球面反射镜组的轴线为z轴，非球面反射镜S1的起始点为原点建立空间直角坐标系o-xyz，并以xoy为底平面、z轴为纵轴建立柱坐标系；非球面反射镜S1的面型分布如下式所示：

式中，z(r)为非球面反射镜S1镜面径向位置r处的面型垂度；L为两块非球面起始点的距离，Z₀和Y₀为非球面反射镜S2的起始点在非球面反射镜S1起始点的相对坐标值；

(3).非球面反射镜S2的面型分布如下式所示：

式中，z(R)为非球面反射镜S2镜面径向位置R处的面型垂度。

2.根据权利要求1所述的同轴反射式激光光束整形方法，其特征在于：沿入射光束的传播方向上设置两个同轴的两个非球面反射镜，非球面反射镜S1用于实现激光光束光强分布的整形，将入射光束进行均匀发散，使得在非球面反射镜S2处形成所需要的光强分布，非球面反射镜S2用于实现对光强整形后的光束进行相位补偿与光束准直。

3.根据权利要求1所述的同轴反射式激光光束整形方法及装置，其特征在于：该整形方法可以将激光光束整形为近衍射极限的环形平顶光束。

4.根据权利要求1或2所述的同轴反射式激光光束整形方法及装置，其特征在于：可以用于将高斯光束整形为具有所需要光强分布的环形光束，还可以用于将其它具有光强对称分布的激光束整形为具有所需要光强分布的光束。

5.一种同轴反射式激光光束整形装置，包括两个非球面反射镜组成的非球面反射镜组，用于将平行入射的激光光束反射后对目标面进行环形照明，所述的两个非球面反射镜为非球面反射镜S1和非球面反射镜S2，其特征在于：所述的非球面反射镜组的设计方法包括以下几个步骤：

(1)建立环形激光光束整形要求，选定平顶光束模型，确定入射与出射的映射关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

(2)以所述的非球面反射镜组的轴线为z轴，非球面反射镜S1的起始点为原点建立空间直角坐标系o-xyz，并以xoy为底平面、z轴为纵轴建立柱坐标系，激光光束方向与z轴平行，记S1面上的任意一点为(x,y,z(x,y))，非球面反射镜S2的起始点相对于非球面反射镜S1的坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，非球面反射镜S2上的点在以非球面反射镜S2的起始点为原点的局部坐标系中的坐标为(X,Y,Z(X,Y))；其中，z(x,y)为坐标(x,y)的z点坐标，Z(X,Y)为坐标(X,Y)的Z点坐标；

(3)根据光线在非球面反射镜S1与非球面反射镜S2之间反射点的对应关系，假设入射光束和出射光束均平行于光轴，且输出与输入的波前均为平面波，这里就引入等光程原理，建立等光程方程，母线在yoz平面：

(Y₀+Y-y)²＝(L-Z₀)(L+Z₀+2(Z(Y)-z(y)))

其中，z(y)为在2维平面内非球面反射镜S1母线的方程，Z(Y)为非球面反射镜S2母线的方程；

(4)利用Snell定律并带入等光程条件可以得到z(y)的偏导：

(5)将上式转换为柱坐标系，并对r进行积分就可以得到非球面反射镜S1的面型方程：

(6)将求得的z(r)带回等光程条件可以得到非球面反射镜S2的面型方程：

6.根据权利要求5所述的同轴反射式激光光束整形装置，其特征在于：沿入射光束的传播方向上设置两个同轴的两个非球面反射镜，非球面反射镜S1用于实现激光光束光强分布的整形，将入射光束进行均匀发散，使得在非球面反射镜S2处形成所需要的光强分布，非球面反射镜S2用于实现对光强整形后的光束进行相位补偿与光束准直。

7.根据权利要求5所述的同轴反射式激光光束整形装置，其特征在于：该整形方法可以将激光光束整形为近衍射极限的环形平顶光束。

8.根据权利要求5所述的同轴反射式激光光束整形装置，其特征在于：可以用于将高斯光束整形为具有所需要光强分布的环形光束，还可以用于将其它具有光强对称分布的激光束整形为具有所需要光强分布的光束。

Images