一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜制造技术

本实用新型专利技术公开了一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，属于激光加工领域。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，反射镜面包括左右两个旋转曲面组，旋转曲面组与工作面之间的距离f

【技术实现步骤摘要】
一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜


[0001]本技术涉及激光加工领域，更具体地，涉及到一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]进一步地，所述镜体为圆柱体或椭圆柱体。
[0011]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。
[0012]进一步地，所述反射镜面镀高反射膜。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]综上所述，本技术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：
[0017]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。
[0018]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。
[0019]3、本技术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。
[0020]4、本技术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。
[0021]5、本技术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。
[0022]6、本技术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。
[0023]总体而言，通过本技术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
[0024]图1是本技术第一实施例提供的反射式匀化镜的结构示意图。
[0025]图2是本技术第一实施例提供的反射式匀化镜的原理图。
[0026]图3是本技术第一实施例提供的反射式匀化镜的原理侧视图。
[0027]图4是本技术第一实施例提供的反射式匀化镜的原理斜视图。
[0028]图5是本技术提供的反射式匀化镜在均匀方向上的原理图。
[0029]图6是本技术第一实施例提供的反射式匀化系统示意图。
[0030]图7是本技术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。
[0031]图8是本技术第二实施例提供的反射式匀化镜的原理图。
[0032]图9是本技术第二实施例提供的反射式匀化镜的原理侧视图。
[0033]图10是本技术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。
[0034]图11是本技术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。
[0035]图12是本技术第四实施例反射式匀化镜的原理图。
[0036]在所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，包括：镜体(21)和反射镜面(22)，所述反射镜面(22)包括左右两个旋转曲面组(23)，所述旋转曲面组(23)与工作面(4)之间的距离f
w
、所述旋转曲面组(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(24)离两旋转曲面组(23)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。2.根据权利要求1所述的一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，其特征在于，所述旋转曲面组(23)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(24)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(23)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。3.根据权利要求2所述的一种生成类平顶矩形光斑反射式匀化镜，其特征在于，所述反射镜面(22)包括左右对称的两个旋转曲面组(23)，所述旋转曲面组(23)对应的旋转母线左右对称且对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，龙宇，柳洁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：