一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜及匀化系统的制作方法

1.本发明涉及激光加工领域，更具体地，涉及到一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜及匀化系统。


背景技术：

2.均匀平顶矩形光斑被广泛运用于激光加工领域，均匀平顶矩形光斑能在激光加工中能够得到非常精密的加工效果，例如在激光相变淬火和激光熔覆等激光表面改性系统均需要较为均匀的平顶矩形光斑。
3.现有技术中，实现激光束整形和均匀化的方法很多，如微透镜阵列、衍射光学元件法、反射式阵列积分镜等。微透镜阵列成本高，对光源的波长有要求，且由于是透射式光学元件，不能用于大功率的激光加工；衍射光学元件可以将激光高斯光束整形成能量较均匀光斑，但是衍射光学元件需要采用单模激光光源，而且准确知道光源的振幅相位分布，衍射光学元件抗失调特性比较差，灵活性差。另外作为透射式光学元件，承受的激光功率有限。
4.目前实际应用的匀化镜片主要为反射式的积分镜，采用铜基体加工，可以在背面设计水冷方式，可用于高功率激光应用，传统反射式积分镜只能实现一个方向能量均匀分布，在另外一个方向上能量呈高斯分布，在能量呈高斯分布方向上均匀度受光源和准直条件影响非常大，高斯边沿部分由于达不到材料的加工阈值，形成一种虚光，大大降低了激光的有效利用率。美国贰陆公司推出了反射式阵列积分镜，可以解决两个方向的匀化问题，但是这种镜面属于自由曲面的镜面，需要使用五轴高精密加工机床才能实现，设备价格非常昂贵，而且自由曲面加工时，只能使用慢刀，加工的表面粗糙度比高精密旋转车床加工的表面差很多。因此，如果在高精密旋转车床上加工出类矩形分布的反射式匀化镜，非常有价值。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜及匀化系统，可获得两个光斑组合而成的一个类平顶矩形光斑，所述类平顶矩形光斑在均匀方向上能量分布均匀，在类均匀方向上能量为类均匀分布。
6.一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，包括：镜体和反射镜面，所述反射镜面包括左右两个旋转曲面组，所述旋转曲面组与工作面之间的距离f
w
、所述旋转曲面组距离各自旋转轴的垂直距离h
l
和h
r
、左右旋转轴离两旋转曲面组中轴线的距离d
l
和d
r
满足关系：和时，可以在类均匀方向上获得上述边沿陡峭下降的类均匀光斑，其中，d
l
为入射光的左半宽，d
r
为入射光的右半宽。
7.进一步地，所述旋转曲面组由多个子曲面组成，所述子曲面由一段直线段和/或二次曲线段绕旋转轴生成，所述多个子曲面的多段直线段和/或二次曲线段首尾顺序连接形成该旋转曲面组的旋转母线；所述子曲面将平行入射光分成多份，并利用其反射特性将这
多份光束反射到均匀方向上的光斑长度内叠加，进而在均匀方向上获得均匀光斑。
8.进一步地，所述反射镜面包括左右对称的两个旋转曲面组，所述旋转曲面组对应的旋转母线左右对称且对应的旋转轴与焦平面在同一平面内，可生成均匀方向能量分布均匀，类均匀方向上能量呈马鞍形分布的类平顶矩形光斑。
9.进一步地，所述子曲面的类型可以根据所需光斑分布模式进行灵活更换。
10.进一步地，所述镜体为圆柱体或椭圆柱体。
11.进一步地，所述反射式匀化镜为高反射金属材料，采用高精密旋转车床加工而成。
12.进一步地，所述反射镜面镀高反射膜。
13.一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化系统，包括激光光束发射装置，准直抛物镜和上述所述的反射式匀化镜；所述激光光束发射装置用于输出激光光束，所述准直抛物镜用于将激光光束进行准直处理，所述反射式匀化镜用于接收准直抛物镜的出射光线并将光束匀化成类平顶矩形光斑。
14.进一步地，所述准直抛物镜为反射式元器件或透射式元器件。
15.进一步地，经准直抛物镜准直之后的光束以平行于镜体的方向入射至反射式匀化镜。
16.综上所述，本发明所构思的技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
17.1、将反射镜面分割成两个旋转曲面组，可得两个光斑组合而成的一个类平顶矩形光斑，所述光斑在均匀方向上能量为均匀分布，在类均匀方向上能量为类均匀分布，在类均匀方向上的光斑边沿陡峭下降，能够大幅降低高斯分布造成的虚光影响，有效提高对高斯光束边沿能量的利用率，适用面更广。
18.2、反射镜面优选分割成对称的两个旋转曲面组，调节相关参数所得类平顶矩形光斑在均匀方向上能量分布均匀，在类均匀方向上能量呈马鞍形分布，可获得更加均匀的温度场分布。
19.3、本发明的反射式匀化镜优选采用高精密旋转车床加工而成，不需要价格昂贵的高精密自由曲面加工机床，降低加工成本，且加工方便。
20.4、本发明的反射式匀化镜的反射镜面优选镀高反射膜，提升反射镜面的光滑度和反射率。
21.5、本发明的反射式匀化镜的反射镜面优选采用反射式整形，在镜体上添加水冷结构，可用于千瓦，万瓦级大功率激光的加工应用，大大拓展了应用领域。
22.6、本发明的反射式匀化镜两旋转轴的左右位置关系与旋转曲面组相同，两旋转曲面组之间的夹角大于180
°
，便于单个旋转曲面组进行加工，且不会破坏相邻旋转曲面组。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，可以灵活设计所需类平顶矩形光斑，加工成本低，安装步骤较简单、操作方便，能够实现大规模的生产；与传统的普通积分镜有较好的匹配，方便在原有系统进行更换更新。
附图说明
24.图1是本发明第一实施例提供的反射式匀化镜的结构示意图。
25.图2是本发明第一实施例提供的反射式匀化镜的原理图。
26.图3是本发明第一实施例提供的反射式匀化镜的原理侧视图。
27.图4是本发明第一实施例提供的反射式匀化镜的原理斜视图。
28.图5是本发明提供的反射式匀化镜在均匀方向上的原理图。
29.图6是本发明第一实施例提供的反射式匀化系统示意图。
30.图7是本发明第一实施例生成的类平顶矩形光斑仿真图及在均匀方向上和类均匀方向上的能量分布仿真示意图。
31.图8是本发明第二实施例提供的反射式匀化镜的原理图。
32.图9是本发明第二实施例提供的反射式匀化镜的原理侧视图。
33.图10是本发明第二实施例生成的类平顶矩形光斑仿真图及在均匀方向上和类均匀方向上的能量分布仿真示意图。
34.图11是本发明第三实施例生成的类平顶矩形光斑仿真图及在均匀方向上和类均匀方向上的能量分布仿真示意图。
35.图12是本发明第四实施例反射式匀化镜的原理图。
36.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1
‑
激光光束发射装置 2
‑
反射式匀化镜 3
‑
反射式准直抛物镜 4
‑
工作面 6
‑
焦平面 21
‑
镜体 22
‑
反射镜面 23
‑
旋转曲面组 24
‑
旋转轴 a
‑
左边光斑 b
‑
右边光斑 c
‑
两旋转曲面组的中轴线 l
‑
均匀方向上的光斑长度。
具体实施方式
37.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。
38.首先对本发明所述光斑的均匀方向和类均匀方向进行说明：与入射光平行的方向为生成光斑的均匀方向；与入射光垂直的方向为生成光斑的类均匀方向。
39.本发明提供了一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，生成两个光斑组合而成的一个类平顶矩形光斑，其能量分布为：在均匀方向上能量分布均匀，在类均匀方向能量分布为外侧凸中间凹或外侧凹中间凸等近似矩形的类平顶矩形光斑，称该能量分布为类均匀分布，该类均匀分布的光斑边沿陡峭下降。
40.图1
‑
图4，为本发明第一实施例提供的一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜。该反射式匀化镜包括：镜体21以及反射镜面22，镜体21采用圆柱体，反射镜面22为凹面镜，包括两个旋转曲面组23且两旋转曲面组的旋转母线、旋转半径、最大宽度不同，两个旋转曲面组23均由12个子曲面构成；每个子曲面由一段抛物线段绕旋转轴24生成，构成每个旋转曲面组23的所有子曲面的母线首尾顺序连接形成该旋转曲面组23的旋转母线。如图5，在均匀方向上入射光束入射到每个子曲面上，利用子曲面的反射特性将入射到每个子曲面的光束均反射到均匀方向上的光斑长度l内进行叠加，使生成的光斑该方向能量均匀，子曲面的个数越多，在该方向上的光斑就越均匀，其中，均匀方向上光斑长度l为初始限定的所需光斑长度；在类均匀方向上，当旋转曲面组23与工作面4之间的距离f
w
、旋转曲面组23的中心点距离各自旋转轴24的垂直距离h
l
和h
r
、左右旋转轴离两旋转曲面组的中轴线c的距离d
l
和d
r
满足关系：和时，可以在类均匀方向上获得上述类均匀光斑，其中，d
l
为入射光的左半宽，d
r
为入射光的右半宽。即入射光入射到左侧旋转曲面组时，左侧旋转曲面组将光束反射到工作面4上，不会超出右边光斑b的右侧；入射光入射到右侧旋转曲面组时，右侧旋转曲面组将光束反射到工作面4，不会超出左边光斑a的左侧。在类均匀方向上所获光斑的长度
41.如图6，在使用过程中，从激光光束发射装置1出射的激光光束，通过反射式准直抛物镜3将激光光束进行准直处理，反射准直为平行高斯光束，准直之后光束的入射方向需与镜体21的方向保持平行，然后入射到反射式匀化镜2；反射式匀化镜2的子曲面接收反射式准直抛物镜3的出射光线并将光束反射到工作面4，侧面光路大致表现为两个漏斗状，在工作面4上形成两个光斑叠加而成的类平顶矩形光斑，生成的光斑在均匀方向能量分布均匀，类均匀方向上能量为类均匀分布。其中，反射式准直抛物镜3也可以是透射式元器件。
42.具体的，反射式匀化镜2为半径15mm的铜基柱，与工作面4的距离为400mm，左边旋转曲面组的最大宽度为18mm，右边旋转曲面组的最大宽度为12mm，两旋转轴相隔3.4mm，旋转半径均为340mm，左右两个旋转曲面组划分为12个子曲面。初始设定光斑的宽度为4mm，经过子曲面反射后，在工作面4处所得两个类平顶矩形光斑叠加而成的光斑尺寸为4mm*4mm，叠加长度为0.6mm，能量表现为在均匀方向上能量分布均匀，在类均匀方向表现为两个非对称的半高斯状的匀化光斑叠加，即左侧光斑能量高于右侧光斑，中间部分向内凹的类平顶矩形光斑，生成的类平顶矩形光斑仿真图及在均匀方向上和类均匀方向上的能量分布仿真示意图如图7所示。可以用该类型的光斑进行激光相变淬火和激光熔覆等激光表面改性。
43.如图8、图9所示，本发明第二实施例的反射式匀化镜，相比于第一实施例不同之处在于，反射式匀化镜2为左右两个旋转曲面组对称，两旋转曲面组23对应的旋转母线左右对称且对应的两个旋转轴24在同一焦平面6内，经过子曲面反射后，在工作面4处所得两个类平顶矩形光斑叠加而成的光斑尺寸为4mm*4mm，叠加长度为0.6mm，能量表现为在均匀方向上能量分布均匀，在类均匀，方向上表现为两个半高斯状的匀化光斑叠加，即中间稍凹两边稍凸类似马鞍形的类平顶矩形光斑，生成的类平顶矩形光斑仿真图及在均匀方向上和类均匀方向上的能量分布仿真示意图如图10所示，以此生成的类平顶矩形光斑温度场更均匀。相比传统高斯分布的光斑的温度场分布仍是高斯模式，均匀光斑的温度场是中间高向两边快速减小的分布模式，生成的能量呈马鞍形分布的光斑温度场更均匀。
44.如图11，本发明第三实施例的反射式匀化镜，相比于第二实施例不同之处在于，调整两旋转轴的位置关系，使得两光斑重合，可以生成两侧凹，中间凸且边沿陡峭的光斑。
45.如图12，本发明第四实施例的反射式匀化镜，相比前三个实施例的不同之处在于，匀化系统中使用透射准直镜，且反射镜倾斜摆放，同样可以生成前面实施例所述的光斑。
46.需要说明的是，反射式匀化镜2的反射面的形状不同，类平顶矩形光斑的形状也不同；上述反射式匀化镜2的类型可以根据所需光斑分布模式进行灵活更换。本发明提供的反射式匀化镜采用高反射金属材料，采用高精密旋转车床加工而成；反射镜面优选镀高反射膜，可以提升反射镜面的光滑度和反射率；镜体也可采用椭圆柱体，倾斜摆放；镜体可加入
水冷结构给反射式匀化镜降温，采用反射式镜面，方便可用于千瓦，万瓦级大功率激光的加工应用，大大拓展了应用领域。
47.另外，可以将本实施例中的子曲面换成由直线段或直线段和二次曲线段组成的旋转母线绕旋转轴生成。
48.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。