一种反射式准直与积分匀化一体镜制造技术

本发明专利技术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。景的需求的有益效果。景的需求的有益效果。

【技术实现步骤摘要】
一种反射式准直与积分匀化一体镜


[0001]本专利技术属于激光加工领域，更具体地，涉及一种反射式准直与积分匀化一体镜。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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％
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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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]针对相关技术的缺陷，本专利技术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。
[0008]为实现上述目的，本专利技术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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]可选的，所述旋转母线的坐标通过以下方式确定：
[0013]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；
[0014]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。
[0015]可选的，通过以下方程计算出每段母线的终点：
[0016][0017]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。
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]可选的，在所述前汇聚面处设置激光器，提供光源。
[0027]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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，使得本专利技术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
[0031]图1是本专利技术提供的反射式准直与积分匀化一体镜的结构示意图；
[0032]图2是本专利技术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；
[0033]图3是本专利技术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；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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点和该段母线的中点在工作面上映射点连接的直线。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，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。3.根据权利要求2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。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，所述旋转母...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦应雄，龙宇，刘明峰，卢昆忠，闫大鹏，李硕，
申请(专利权)人：武汉锐科光纤激光技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：