CN115437161B - 一种反射式准直与积分匀化一体镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式准直与积分匀化一体镜。一种反射式准直与积分匀化一体镜，反射式准直与积分匀化一体镜具有入射方向的前汇聚面和出射方向的后汇聚面；前汇聚面处的光源发出输入光束，反射镜面对输入光束进行准直后，将输入光束反射到后汇聚面处的工作面上的限定区域内，得到目标匀化矩形光斑；反射镜面由旋转母线上的每段母线绕各自特定旋转轴旋转形成的曲面组成；旋转母线根据目标匀化矩形光斑进行求解，特定旋转轴为光源点和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线。解决了现有的矩形光斑的整形系统中存在的结构复杂、能量损耗较大、成本较高的问题。实现了精简光路结构、提高激光能量的利用率，以及适应不同场景的需求的有益效果。

Description

一种反射式准直与积分匀化一体镜

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种反射式准直与积分匀化一体镜。

背景技术

在激光加工的很多场景下，通过使用反射式积分镜将入射高斯光束整形为匀化矩形光斑较为常见。反射式积分镜，可采用铜基体或者其他材料加工，也可在背面设计水冷方式，可用于高功率激光加工；匀化矩形光斑相较于高斯光斑形状更加规整，能量更加均匀。

目前，在激光加工领域中，产生矩形光斑的方法有多种，目前，适用于加工场景的矩形匀化光斑解决方案分成两类，一种是使用透射式整形元件，例如微透镜阵列、空间光调制器、以及其他诸多具有光束整形作用的透射光学整形元件；另一种是使用反射式水冷铜镜方案，使用将光束先通过准直镜进行准直，在将光入射到传统的积分镜上进行整形，将光束经过反射整形后反射到工作面，这也就是传统积分镜的工作方式。

第一类反射式矩形光斑整形方案中Thorlabs推出了PMMA微透镜阵列、Limo推出了Microlens Arrays微透镜阵列方案，但是目前透射式光学整形元件存在以下缺陷：损伤阈值较低，因此在超高功率的激光加工中，透射式光学元件的稳定性和使用寿命是不足的；许多透射式光学整形元件的镜面形状较为复杂，加工难度大、加工成本高。

第二类是反射式光束整形方案，与透射式光学整形元件相比，由于主体材料可以采用金属并且内置水冷通道，反射式整形元件具有更高损伤阈值，加工技术也更为成熟。其中II-VI的反射光束积分仪、KUGLER的水冷反射镜等均为各种矩形光斑的反射整形方案，通过对激光束的整形可以实现矩形光斑的输出。但是这种整形方案均存在一下缺陷：一是成本较高，激光束在打到整形镜前均匀先对激光束进行准直，所以此类方案需要额外配置一个准直镜片；二是功率损耗较大，由于上述方案需要在整形镜前方加一块准直镜，而目前铜镜的反射率最高只能到97％-99％左右，高功率的激光束在通过两块铜镜时所造成的的损耗较大；三是结构复杂，因为多一块准直镜片，光路结构变复杂，调节难度大，对装配精度要求提高。

综上，目前实现大功率的矩形光斑的整形方案中，存在结构复杂、传输过程中能量损耗较大、成本较高的问题。

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反射式准直与积分匀化一体镜，旨在解决现有的矩形光斑的整形系统中存在的结构复杂、传输过程中能量损耗较大、成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种反射式准直与积分匀化一体镜，包括：一体准直匀化镜体和反射镜面；

所述反射式准直与积分匀化一体镜具有入射方向的前汇聚面和出射方向的后汇聚面；所述前汇聚面处的光源发出输入光束，且所述输入光束的入射方向与所述前汇聚面垂直；

所述反射镜面对输入光束进行准直后，将所述输入光束反射到所述后汇聚面处的工作面上的限定区域内，得到目标匀化矩形光斑；

所述反射镜面由旋转母线上的每段母线绕各自特定旋转轴旋转形成的曲面组成；其中，所述旋转母线根据所述目标匀化矩形光斑进行求解，每段母线的特定旋转轴为所述光源点和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线。

可选的，所述旋转母线的坐标通过以下方式确定：

根据第一段母线的起点坐标以及入射光场与目标光场能量分布的映射关系，求解出第一段母线终点坐标；

再用所述第一段母线终点坐标作为第二段母线的起点坐标，求解出第二段母线终点坐标；依次确定每段母线的起点坐标和终点坐标。

可选的，通过以下方程计算出每段母线的终点：

其中，以所述反射镜面中心点为原点，光束的入射方向为x轴的负方向，光束的出射方向为y轴的负方向，与x轴和y轴所构成的平面的法线方向为z轴建立三维直角坐标系，母线于位于xoy面；x₁，y₁为母线上每段线的起始点，y₂为该段线终点的y坐标，可通过设定每段线在y方向的截距直接得出，f_z为准直距离，f_w为工作距离，f_a为每段线中点在光斑上映射位置的x坐标。

可选的，所述旋转母线包括多组母线，每一组相连的母线将入射光均匀叠加到工作面上的限定区域内形成均匀光斑；

当预设数量的母线的映射点从光斑的一侧变到光斑的另一侧，则这些母线段为同一组线；

在母线平面，以原点为母线的其中一组线的起点，该起点与光斑一端点对应，母线上该组线的终点与光斑另一端点对应，该组线内各线段与光斑上各位置依次对应。

可选的，所述反射镜面的旋转母线包括凸型、凹型和凸凹对称型中的一种。

可选的，所述旋转母线为凸型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状均为凸型；每组母线的第一段母线的映射点为光斑的左端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的右端点附近，内部各映射点从左端点均匀的向右端点变化。

可选的，所述旋转母线为凹型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状均为凹型；每组母线的第一段母线的映射点为光斑的右端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的左端点附近，内部各映射点从右端点均匀的向左端点变化。

可选的，所述旋转母线为凹凸对称型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状为凹凸对称型；在旋转母线中点向右为凹凸依次交替，中点向左也为凹凸依次交替，左侧或者右侧的映射点变化均为从光斑一侧到光斑另一侧，再返回到原位置。

可选的，所述反射式准直与积分匀化一体镜的反射镜面形状为非旋转对称的自由曲面。

可选的，在所述前汇聚面处设置激光器，提供光源。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、同时兼具光束准直与光斑整形功能，仅通过一个反射镜即可实现光束的准直与光斑整形，从激光光源直接得到匀化矩形光斑，无需其他光学元件，实现精简光路结构，匀化矩形光斑的输出；可以根据目标匀化矩形光斑设计不同的反射镜面，适应于实际加工中不同场景的需求。

2、减少了原有系统中所需的反射镜片及相关结构，减少了系统中光束的反射次数，降低了系统能量损耗，提高激光能量的利用率。

3、反射式准直与积分匀化一体镜，调节难度更小，光路稳定性更好；减小了各元件加工误差或装配误差累积，使得本发明中的光斑整形系统能获得更稳定、更准确的输出；同时也减小了光路体积，具有更精简的光路结构，抗干扰能力更强。

附图说明

图1是本发明提供的反射式准直与积分匀化一体镜的结构示意图；

图2是本发明提供的反射式准直与积分匀化一体镜的输出光斑的能量分布示意图；

图3是本发明提供的全凸型反射式准直与积分匀化一体镜的母线示意图；

图4是本发明提供的全凹型反射式准直与积分匀化一体镜的母线原理图；

图5是本发明提供的凸凹对称型反射式准直与积分匀化一体镜的母线示意图；

图6是本发明提供的凸凹对称型反射式准直与积分匀化一体镜的仿真示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种反射式准直与积分匀化一体镜，结构简单，可以输出匀化矩形光斑；该反射镜具有将输入的高斯光束准直与整形的功能，其反射镜母线形状根据给定参数进行求解得出，反射镜面根据所求母线与相关旋转轴进行旋转。在具有输出匀化矩形光斑能力的同时，通过单个反射镜实现了准直与整形功能，减少了光学元件；提高了能量利用率。

具体地，如图1所示，本发明提供了一种反射式准直与积分匀化一体镜1，包括：一体准直匀化镜体11和反射镜面12；

反射式准直与积分匀化一体镜1具有入射方向的前汇聚面2和出射方向的后汇聚面3；前汇聚面2处的光源发出输入光束4，且输入光束4的入射方向与前汇聚面2垂直；

反射镜面12对输入光束4进行准直后，将输入光束4的分布模式改变为预设光斑分布模式，将输入光束4反射到后汇聚面3处的工作面5上的限定区域内，均匀叠加得到目标匀化矩形光斑；

反射镜面12由旋转母线上的每段母线绕各自特定旋转轴旋转形成的曲面组成；其中，旋转母线根据目标匀化矩形光斑进行求解，每段母线的特定旋转轴为光源点和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线。

在前汇聚面2处设置激光器6，为反射式准直与积分匀化一体镜1提供光源，前汇聚面2处记为光源点；本实施例中反射式准直与积分匀化一体镜1的反射镜面12形状为非旋转对称的自由曲面。

激光器6作为光源，输出未经过准直的高斯光束，作为输入光束4，输入光束4的入射方向与前汇聚面2垂直，输入光束4通过反射镜面12进入反射式准直与积分匀化一体镜1，由于反射式准直与积分匀化一体镜1同时具有准直与光束整形功能，反射镜面12对输入光束4进行准直后，将输入光束4的分布模式改变为预设光斑分布模式，反射到到后汇聚面3的工作面5上，得到目标组合匀化矩形光斑。其中，反射镜面12形状不同，反射式准直与积分匀化一体镜所得到的光斑分布模式也不一样，反射镜面12的形状根据需要形成的目标匀化矩形光斑进行设置。

前汇聚面2到反射式准直与积分匀化一体镜1的反射镜面12的中心点距离记为准直距离；后汇聚面3到反射式准直与积分匀化一体镜1的反射镜面12的中心点距离记为工作距离。

其中，形成反射镜面12的旋转母线的坐标通过以下方式确定：

根据第一段母线的起点坐标以及入射光场与目标光场能量分布的映射关系，求解出第一段母线终点坐标；

再用第一段母线终点坐标作为第二段母线的起点坐标，求解出第二段母线终点坐标；依次确定每段母线的起点坐标和终点坐标。

以反射镜面中心点为原点，光束的入射方向为x轴的负方向，光束的出射方向为y轴的负方向，与x轴和y轴所构成的平面的法线方向为z轴建立三维直角坐标系，旋转母线于位于xoy面。根据所需的光斑进行求解，求得所需的旋转母线的类型和组数；旋转母线包括凸型、凹型和凸凹对称型中的一种，旋转母线包括多组母线。

在已知一段母线的起点坐标时，通过入射光场与目标光场能量分布的映射关系，构建入射光场与目标矩形光斑所对应的反射曲面母线方程，在经过相对应的旋转，使得反射式准直与积分匀化一体镜同时兼具光束准直与光斑整形功能。求解该母线的终点坐标，具体通过以下方程计算：

其中，x₁，y₁为母线上每段线的起始点，y₂为该段母线终点的y坐标，可通过设定每段母线在y方向的截距直接得出，f_z为准直距离，f_w为工作距离，f_a为每段母线中点在光斑上映射位置的x坐标。

本实施例中，母线的坐标计算从左向右计算，母线的第一个起点为原点，第一个映射点为矩形光斑左端点，由此求解出母线向右第一段的终点，由此得出母线中的第一段母线的坐标；再使用第一段母线终点坐标作为第二段母线的起点，其映射点也向右移动合适的距离求解出下一终点；依次确定一组母线中的每段母线的起点坐标和终点坐标，当映射点到最右端时，这些线为母线中的一组。母线求解完后，将每段母线绕光源和该段母线中点在工作面上映射点连接的直线进行旋转，得出反射曲面。

当预设数量的母线的映射点从光斑的一侧变到光斑的另一侧，则这些母线段为同一组线；在母线平面，以原点为母线的其中一组线的起点，该起点与光斑一端点对应，母线上该组线的终点与光斑另一端点对应，该组线内各线段与光斑上各位置依次对应。其中，预设数量为自定义设置。每一组相连的母线将入射光均匀叠加到工作面上的限定区域内形成均匀光斑，光斑能量分布如图2所示。

如图3所示，在一实施例中，反射镜面的旋转母线为凸型时，旋转母线包含的多组母线的形状均为凸型。每组母线的第一段母线的映射点为光斑的左端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的右端点附近，内部各映射点从左端点均匀的向右端点变化。

反射镜面由每段母绕光源和该段中点在工作面上映射点连接的直线进行旋转，得出反射曲面。

如图4所示，在一实施例中，反射镜面的旋转母线为凹型时，旋转母线包含的多组母线的形状均为凹型；每组母线的第一段母线的映射点为光斑的右端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的左端点附近，内部各映射点从右端点均匀的向左端点变化。

反射镜面由每段母绕光源和该段中点在工作面上映射点连接的直线进行旋转，得出反射曲面。

如图5所示，在一实施例中，反射镜面的旋转母线为凹凸对称型时，旋转母线包含的多组母线的形状为凹凸对称型；在旋转母线中点向右的多组母线形状为凹凸依次交替，中点向左的多组母线形状也为凹凸依次交替，左侧或者右侧的映射点变化均为从光斑一侧到光斑另一侧，再返回到原位置。

再通过上述实施例提供的方程式求解母线的坐标时，将母线中点当做原点，依次向右计算，其映射点在光斑左侧附近，当映射点移动到最右端时，求解的若干母线为一组，整体形状为凹面；再将上一段母线的终点作为起点，映射点在从光斑右侧向左，求出下一组母线，该组母线整体形状为凸面。从母线重点向左计算时同理。

如图5所示，AD为通过已知起点A求出终点D的一段旋转母线；从A到C的多段旋转母线的在光斑上的映射点从光斑的左侧到光斑右侧均匀分布，预设数量的旋转母线为一组，该预设数量为AC该组旋转母线高度与单端母线高度相比得出，且改组映射点为从左到右，所以该组旋转母线形状为凹型；AB为旋转镜面的旋转母线。

在反射镜面为凹凸面对称型时，在母线中点向两侧均为凹凸依次交替，因此，母线中点处不平滑，反射镜面也分为两段，如图6所示，分段的反射镜面将入射高斯光束中间能量较高的部分反射到光斑两侧，在接近一个节距宽度的入射光束也能获得比较好的匀化光斑尺寸。

本实施例中，取准直距离为150mm，聚焦距离为400mm，反射镜面直径为49.5mm，得到的匀化光斑长度为15mm。

本发明实施例的技术方案，通过一种反射式准直与积分匀化一体镜，反射式准直与积分匀化一体镜具有入射方向的前汇聚面和出射方向的后汇聚面；前汇聚面处的光源发出输入光束，且输入光束的入射方向与前汇聚面垂直；反射镜面对输入光束进行准直后，将输入光束的分布模式改变为预设光斑分布模式，将输入光束反射到后汇聚面处的工作面上的限定区域内，均匀叠加得到目标匀化矩形光斑；反射镜面由旋转母线上的每段母线绕各自特定旋转轴旋转形成的曲面组成；其中，旋转母线根据所需要的目标匀化矩形光斑进行求解，每段母线的特定旋转轴为光源点和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线。解决了现有的矩形光斑的整形系统中存在的结构复杂、传输过程中能量损耗较大、加工难度大、成本较高的问题。实现了精简光路结构、降低了系统能量损耗、提高激光能量的利用率，以及适应于实际加工中不同场景的需求的有益效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，包括：一体准直匀化镜体和反射镜面；

所述反射式准直与积分匀化一体镜具有入射方向的前汇聚面和出射方向的后汇聚面；所述前汇聚面处的光源发出输入光束，且所述输入光束的入射方向与所述前汇聚面垂直；

所述反射镜面对输入光束进行准直后，将所述输入光束反射到所述后汇聚面处的工作面上的限定区域内，得到目标匀化矩形光斑；

所述反射镜面由旋转母线上的每段母线绕各自特定旋转轴旋转形成的曲面组成；其中，所述旋转母线根据所述目标匀化矩形光斑进行求解，每段母线的特定旋转轴为所述光源和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线；

其中，所述旋转母线的坐标通过以下方式确定：

根据第一段母线的起点坐标以及入射光场与目标光场能量分布的映射关系，求解出第一段母线终点坐标；

再用所述第一段母线终点坐标作为第二段母线的起点坐标，求解出第二段母线终点坐标；依次确定每段母线的起点坐标和终点坐标。

2.根据权利要求1所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，通过以下方程计算出每段母线的终点：

其中，以所述反射镜面中心点为原点，光束的入射方向为x轴的负方向，光束的出射方向为y轴的负方向，与x轴和y轴所构成的平面的法线方向为z轴建立三维直角坐标系，母线于位于xoy面；x₁，y₁为母线上每段线的起始点，y₂为该段线终点的y坐标，可通过设定每段线在y方向的截距直接得出，f_z为准直距离，f_w为工作距离，f_a为每段线中点在光斑上映射位置的x坐标。

3.根据权利要求1所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述旋转母线包括多组母线，每一组相连的母线将入射光均匀叠加到工作面上的限定区域内；

当预设数量的母线的映射点从光斑的一侧变到光斑的另一侧，则这些母线段为同一组线；

在母线平面，以原点为母线的其中一组线的起点，该起点与光斑一端点对应，母线上该组线的终点与光斑另一端点对应，该组线内各线段与光斑上各位置依次对应。

4.根据权利要求1所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述反射镜面的旋转母线包括凸型、凹型和凸凹对称型中的一种。

5.根据权利要求4所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述旋转母线为凸型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状均为凸型；每组母线的第一段母线的映射点为光斑的左端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的右端点附近，内部各映射点从左端点均匀的向右端点变化。

6.根据权利要求4所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述旋转母线为凹型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状均为凹型；每组母线的第一段母线的映射点为光斑的右端点附近，最后一段母线的映射点在光斑的左端点附近，内部各映射点从右端点均匀的向左端点变化。

7.根据权利要求4所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述旋转母线为凹凸对称型时，所述旋转母线包含的单组母线的形状为凹凸对称型；在旋转母线中点向右为凹凸依次交替，中点向左也为凹凸依次交替，左侧或者右侧的映射点变化均为从光斑一侧到光斑另一侧，再返回到原位置。

8.根据权利要求1所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，所述反射式准直与积分匀化一体镜的反射镜面形状为非旋转对称的自由曲面。

9.根据权利要求1所述的反射式准直与积分匀化一体镜，其特征在于，在所述前汇聚面处设置激光器，提供光源。