一种用于激光束整形的四分透镜、激光束整形系统及方法与流程

1.本发明属于激光技术，涉及对激光束进行光束整形。


背景技术：

2.由于圆形激光晶体易于生长，而且泵浦均匀，所以目前大多数激光器的输出为高斯分布的圆形光斑。而对热处理、激光冲击处理等工艺，需要采用方形光斑来满足各种工艺需求，现有技术中，一般采用掩模、特殊的积分镜等方法来获得方形光斑。目前方法的缺点是：采用掩模会损失部分能量，对于激光冲击强化等需要大能量的激光加工技术来说，掩模不仅产生能量损失，而且降低加工效率，显然采用掩模不是很好的办法。特殊的积分镜具有几十个甚至上百个加工面，加工成本很高，而且容易被强激光破坏。例如π整形镜承受的峰值功率密度仅为200mw/cm2，该整形镜无法用于激光冲击强化等峰值功率密度大于1gw/cm2的激光加工技术。另外，该整形镜价格很贵，,因此，这种整形镜在使用中存在很大的局限性。


技术实现要素：

3.本发明专利的目的在于，提出一种不损失激光能量、承受的激光峰值功率密度高、成本低的用于激光束整形的四分透镜、激光束整形系统及方法。
4.为实现上述目的，本发明提出以下技术方案。
5.第一方面，本发明提供一种用于激光束整形的四分透镜，具有一个半径为r、厚度为σ的圆片形基体，其底面为平面，其特征在于，所述圆片形基体的上表面是由四个扇形面组成的四棱锥，所述四棱锥的四条棱线的长度相等，其中，相对的第一棱线和第二棱线与所述底面的夹角均为α，另外两条相对的第三棱线和第四棱线与所述底面的夹角均为kα,k为通过所述四分透镜的椭圆形光斑的长轴、短轴之比。
6.进一步，夹角α＝0.01～0.4弧度，长宽比k＝1.4～3。
7.进一步，所述圆片形基体的半径r＝10～100mm，厚度σ＝[r*tanα δ]，其中δ为所述棱线下端点距离所述底面的高度，δ＝2～5mm。
[0008]
进一步，所述四分透镜的材料为k9玻璃或者石英，加工后双面镀增透膜，反射率小于0.5％，所述四分透镜采用k9玻璃的光学折射率为1.5,采用石英的光学折射率为1.45。
[0009]
第二方面，本发明提供一种激光束整形系统，包括正透镜、负透镜和上述的四分透镜，圆形光斑依次通过所述正透镜、负透镜和四分透镜，转化为长方形光斑。
[0010]
第三方面，本发明提供一种激光束整形方法，包括：
[0011]
圆形光斑通过正透镜和负透镜后获得椭圆形光斑；所述椭圆形光斑经过如权利要求1-3任一项所述的四分透镜，转化为长方形光斑，其中，所述椭圆形光斑的长轴与所述第三棱线、第四棱线的投影平行，所述椭圆形光斑的短轴与所述第一棱线、第二棱线的投影平行。
[0012]
进一步，假设所述椭圆形光斑短轴长为a,所述四分透镜的光学折射率为1.5,则经
过2a/α后，所述椭圆形光斑转化为短边长a/2，长边长ka/2的长方形光斑。
[0013]
本发明的有益效果如下：
[0014]
本发明提供的四分透镜在激光束转化中不损失激光能量，可承受的激光峰值功率密度高，成本低，便于推广使用。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]
图1是本发明实施例提供的一种用于激光束整形的四分透镜的俯视图；
[0017]
图2是本发明实施例提供的一种用于激光束整形的四分透镜的侧视图；
[0018]
图3是本发明实施例提供的一种用于激光束整形的四分透镜的镜片棱面三点坐标示意图；
[0019]
图4是本发明实施例提供的激光束整形系统的结构及光斑转化示意图。
[0020]
图中：
[0021]
1-圆形光斑；2-正透镜；3-负透镜；4-椭圆形光斑；5-四分透镜；6-长方形光斑。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
[0023]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0024]
参见图1、2，本发明实施例提供的一种用于激光束整形的四分透镜，具有一个半径为r、厚度为σ的圆片形基体，其底面为平面，
[0025]
整形透镜的上表面是由a、b、c、d四个扇形面组成的四棱锥，四棱锥的四条棱线的长度相等，扇形面a、b、c、d的形状相同，相对的第一棱线ab和第二棱线cd与底面的夹角均为α，另外两条相对的第三棱线ac和第四棱线bd与底面的夹角均为β＝kα,k为通过四分透镜的椭圆形光斑的长轴、短轴之比。
[0026]
作为一种优选实施方式，在该实施例中，上述的夹角α＝0.01～0.4弧度，长宽比k＝1.4～3。
[0027]
作为一种优选实施方式，，在该实施例中，如图2所示，圆片形基体的半径r＝10～100mm，厚度σ＝[r*tanα δ]，其中δ为所述棱线下端点距离底面的高度，δ＝2～5mm。
[0028]
作为一种优选实施方式，，在该实施例中，所述四分透镜的材料为k9玻璃或者石英，加工后双面镀增透膜，反射率小于0.5％，所述四分透镜采用k9玻璃的光学折射率为1.5,采用石英的光学折射率为1.45。
[0029]
下表给出本发明实施例提供的用于激光束整形的四分透镜的参数，其具体的三点
坐标示意图如图3所示。
[0030]
rσαβ5050.280.57
[0031]
采用上述的四分透镜，可用于激光束整形系统，将入射的激光束的圆形光斑转化为长方形光斑。
[0032]
如图4所示，本发明实施例提供的一种激光束整形系统，包括正透镜2、负透镜3和四分透镜5。
[0033]
采用上述的激光束整形系统进行激光束整形的原理是：如图4所示，圆形光斑1通过正透镜2和负透镜3后获得椭圆形光斑4，椭圆形光斑4经过四分透镜5，其中，椭圆形光斑4的长轴与ac、bd棱线投影平行，椭圆形光斑4的短轴与ab、cd棱线投影平行，假设椭圆形光斑4的短轴长为a,四分透镜5的光学折射率为1.5,则经过2a/α后，椭圆形光斑4转化为短边长a/2，长边长ka/2的长方形光斑6。
[0034]
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
[0035]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。