本發明涉及激光應用領域，涉及一種高斯激光束整形裝置及方法，更具體地說，本發明涉及一種基于空間光調制器的激光光束整形裝置及方法。

背景技術：
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激光是光學史乃至整個科技發展史上具有里程碑意義的重要發明。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、熱影響區小等優點(參考文件：基于空間光調制器的飛秒并行加工方法研究)，使其在信息技術、材料加工、測試計量技術、生物技術以及國防工業等相關領域具有重大應用價值(參考文件：高斯光束整形技術研究)。目前國際上激光加工技術研究的一個重要特點是覆蓋內容廣、發展速度快。特別是在航空、航天領域，激光已經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域的應用研究)。

然而，激光光束能量一般呈高斯分布,在諸如激光焊接、生物醫學工程等技術領域,這種能量非均勻分布的特性會導致材料在局部范圍內產生熱累積，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，這種熱累積效應會導致微裂紋、重鑄層、再結晶等加工缺陷，極大的制約了激光微加工技術在航空、航天等對器件可靠性要求較高領域的應用。因此，需要將高斯光束轉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，濾掉邊緣區域能量，只保留中心區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)。這種方法光路簡單、易于實現且成本很低，但是激光能量利用率低，大部分能量都被遮擋，并且會伴隨嚴重的邊緣衍射效應，不利于在工程實踐中廣泛應用。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,將激光光束轉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焦深整形元件法。

非球面透鏡法整形技術具有能量利用率高、耐高溫、成本低等優點，但是,非球面透鏡整形系統參數的設計需大量數學運算,設計結果需要帶入現有的光學軟件中反復校驗，不利于計算機軟件自動優化設計。微透鏡陣列是通過先分割后疊加的方式實現整形，重疊率有所差異，光斑在局部區域分布不均勻，同時微透鏡陣列之間的縫隙會產生衍射和干涉效應，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展。長焦深元件制作困難、加工成本較高、加工精度差，這些因素都影響了該技術在工程領域的應用。

技術實現要素：

為了克服現有技術中加工成本高、衍射和干涉影響大、計算復雜、靈活性差的問題，本發明提供了一種基于空間光調制器的激光光束整形裝置及方法。

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

本發明的方法所采用的技術方案是：一種基于空間光調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制器上；

步驟3：把激光器發出的高斯光以小于10°的入射角入射到空間光調制器上；

步驟4：將經過空間光調制器后發生衍射的高階光用光闌去除；

步驟5：將發生反射的零階光利用第一光學4f系統把空間光調制器近場的像傳遞到工作臺上的待加工表面；

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

與現有技術相比，本發明方法具有以下優點：

(1)液晶SLM操作方便、使用靈活；

(2)本發明方法使用的掩模圖為二元光柵和整形圖案相結合的圖形，不需要復雜計算，節約時間；

(3)本發明方法利用4f成像系統，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)本發明方法可以有效避免衍射和干涉的影響，提高了光束質量。

附圖說明

圖1為本發明實施例的裝置結構圖；

圖2為本發明實施例的流程圖；

圖3(a)(b)為本發明實施例加載到空間光調制器上的掩模圖；

圖4為本發明實施例的反射式二元光柵原理圖；

圖5(a)(b)為本發明實施例中獲得的不同形態的平頂激光束光強分布圖。

其中：1是激光器，2是擴束鏡，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，14是CCD相機，15是電腦。

具體實施方式

為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發明，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

請見圖1，本發明提供的一種基于空間光調制器的激光光束整形裝置，包括激光器1、擴束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5、空間光調制器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13、CCD相機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4f系統，所述第一透鏡7和第三透鏡10組成第二光學4f系統；激光器1產生的激光依次通過擴束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5后入射到空間光調制器6上，出射光經過第一透鏡7、光闌8后入射到分束鏡9內；經分束鏡9后激光分成兩部分，一部分通過第一光學4f系統把空間光調制器6近場的像傳遞到工作臺13上的待加工表面，另一部分通過第二光學4f系統將整形后的光束傳遞到CCD相機14中進行觀察；電腦15分別與快門4、空間光調制器6、CCD相機14連接，用于控制快門4、空間光調制器6、CCD相機14工作。

本實施例由電腦15控制掩模圖的自動切換，并且與激光的重復頻率和工作臺的運動配合，實現高速、任意形態的加工。

請見圖2，本發明提供的一種基于空間光調制器的激光光束整形方法，包括以下步驟：

步驟1，首先利用空間光調制器SLM(以下簡稱“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。調節整形區域圖形灰度值為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，移動掩模圖位置，使圖形中心與激光光斑中心重合。本實施例采用的SLM6為Hamamatsu生產的純相位空間光調制器，型號為X10468-02，幀速率為60Hz；

步驟3，激光器1產生的高斯光束能量經過衰減后，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發生衍射，照射到灰度值為0的整形圖形部分會發生全反射，其原理如圖4所示。本實施例采用的激光器1脈寬為100fs，單脈沖能量為25μJ，重復頻率為10kHz；

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

步驟5，利用光學4f成像原理，使用第一透鏡7和第二透鏡12組成第一光學4f成像系統，將零階光在SLM6近場形成的像傳遞到待加工表面。成像大小可根據掩模圖中整形區域圖形大小和第一光學4f成像系統中透鏡焦距來調節。本實例中第一透鏡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4f成像系統最終成像為平行的平頂光；

步驟6，為了檢測整形后光斑能量分布，在第一透鏡7后950mm處加入分束鏡9，分出來的光經過由第一透鏡7和第三透鏡10組成的第二光學4f系統后最終的成像入射到CCD相機14中，用于觀測整形之后的光束，檢測結果如圖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相機位于第三透鏡10后任意位置；檢測結果圖5(a)(b)分別為整形得到的平頂方形與圓環。

盡管本說明書較多地使用了激光器1、擴束鏡2、第一反射鏡3、快門4、第二反射鏡5、空間光調制器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13、CCD相機14和電腦15等術語，但并不排除使用其他術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便的描述本發明的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。

應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現有技術。

應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護范圍之內，本發明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。