用于發(fā)散激光束的光束整形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種整形方法，尤其是一種用于發(fā)散激光束的光束整形方法，屬于激 光束整形的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光因其相干性、單色性、方向性好及亮度高等諸多優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于光刻、材 料加工以及平板印刷等重要領(lǐng)域。激光器直接輸出的激光光束，大多數(shù)情況下，激光光束能 量為高斯分布。如若直接應(yīng)用這種輸出光束進(jìn)行材料加工，將導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而損壞材 料。因此，需對(duì)激光光束進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)化為能量均勻分布的光束以消除不良影響。
[0003] 已有的激光光束整形方法主要有液晶空間光調(diào)制器、非球面透鏡組、微透鏡陣列、 二元光學(xué)元件法、雙折射透鏡組以及自由曲面透鏡等。這些方法都是針對(duì)平行的激光光束 進(jìn)行整形，也就是激光光束沒(méi)有發(fā)散的情況。然而實(shí)際激光器輸出的激光光束，都帶有一定 的發(fā)散角，用現(xiàn)有的整形方法，對(duì)帶有發(fā)散角的激光光束整形，整形效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種用于發(fā)散激光束的光束整 形方法，其能對(duì)帶有發(fā)散角的激光束進(jìn)行有效整形，確保帶有發(fā)散角激光束在工業(yè)應(yīng)用的 穩(wěn)定性以及可靠性。
[0005] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種用于發(fā)散激光束的光束整形方法，所述光束整 形方法包括如下步驟：
[0006] a、提供與待整形發(fā)散激光束具有相同光強(qiáng)分布的平行激光束，并對(duì)所述平行激光 束的輸入面進(jìn)行能量網(wǎng)格劃分，控制平行激光束的輸入面內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的能量相等，以確定 輸入面內(nèi)每個(gè)能量網(wǎng)格的面積，得到所需的輸入面能量網(wǎng)格；
[0007] b、確定所述待整形發(fā)散激光束要打到的目標(biāo)面，并根據(jù)輸入面能量網(wǎng)格的數(shù)量對(duì) 所述目標(biāo)面進(jìn)行等面積的網(wǎng)格劃分，以得到所需的目標(biāo)面網(wǎng)格，目標(biāo)面的目標(biāo)面網(wǎng)格數(shù)量 與輸入面的輸入面能量網(wǎng)格相一致；
[0008] c、提供初始自由曲面透鏡，并將劃分上述輸入面能量網(wǎng)格的平行激光束入射到自 由曲面透鏡的平面，且使得每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格的激光束通過(guò)自由曲面透鏡打到目標(biāo)面相 對(duì)應(yīng)的目標(biāo)面網(wǎng)格內(nèi)，利用光的折射定律以及邊緣光線理論，確定所述初始自由曲面透鏡 的自由曲面上的各采樣點(diǎn)位置坐標(biāo)，以得到自由曲面透鏡的初始自由曲面；
[0009] d、將待整形的發(fā)散激光束通過(guò)上述得到初始自由曲面的自由曲面透鏡打到目標(biāo) 面上，通過(guò)蒙特卡羅光線追跡的方法確定目標(biāo)面的能量分布圖；
[0010] e、將得到的目標(biāo)面的能量分布與目標(biāo)面預(yù)期能量分布進(jìn)行對(duì)比，若目標(biāo)面的能量 分布于目標(biāo)面預(yù)期能量分布不一致時(shí)，則確定反饋系數(shù)η，若目標(biāo)面的能量分布于目標(biāo)面 預(yù)期能量分布一致，則調(diào)整步驟g;
[0011] 所述反饋系數(shù)η為
[0012]
[0013] 其中，E為目標(biāo)面上目標(biāo)面網(wǎng)格內(nèi)的能量矩陣，Ey為目標(biāo)面上第i行第j列的目 標(biāo)面網(wǎng)格的能量，E為目標(biāo)面上所有目標(biāo)面網(wǎng)格的能量均值，Μ為目標(biāo)面上目標(biāo)面網(wǎng)格的行 數(shù)，Ν為目標(biāo)面上目標(biāo)面網(wǎng)格的列數(shù)，MXΝ為目標(biāo)面上目標(biāo)面網(wǎng)格的數(shù)量；利用所述反饋系 數(shù)η調(diào)整輸入面能量網(wǎng)格的面積或目標(biāo)面網(wǎng)格的面積，并根據(jù)所述調(diào)整后的輸入面能量 網(wǎng)格或目標(biāo)面網(wǎng)格重新確定自由曲面透鏡的自由曲面上各采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以得到自由 曲面透鏡的調(diào)整自由曲面；
[0014] f、對(duì)于調(diào)整后的輸入面能量網(wǎng)格或目標(biāo)面網(wǎng)格，將待整形的發(fā)散激光束通過(guò)得到 調(diào)整自由曲面的自由曲面透鏡打到目標(biāo)面上，通過(guò)蒙特卡羅的方法確定目標(biāo)面的能量分布 圖，并跳轉(zhuǎn)步驟e;
[0015] 步驟g、將目標(biāo)面的能量分布與目標(biāo)面預(yù)期能量分布一致的自由曲面透鏡確定為 最終光束整形自由曲面透鏡，利用所述光束整形自由曲面透鏡對(duì)上述的發(fā)散激光束進(jìn)行光 束整形，以使得發(fā)散激光束經(jīng)光束整形自由曲面透鏡后能在目標(biāo)面上得到均勻分布的能 量。
[0016] 所述步驟e中，利用反饋系數(shù)η調(diào)整輸入面能量網(wǎng)格的面積時(shí)，將每個(gè)輸入面能 量網(wǎng)格的面積與所述反饋系數(shù)η相乘，以得到調(diào)整后的輸入面能量網(wǎng)格；利用反饋系數(shù)調(diào) 整目標(biāo)面網(wǎng)格的面積時(shí)，將每個(gè)目標(biāo)面網(wǎng)格的面積除以所述反饋系數(shù)η，以得到調(diào)整后目 標(biāo)面網(wǎng)格。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：利用平行激光束對(duì)初始自由曲面透鏡的自由曲面進(jìn)行位置坐標(biāo)的 標(biāo)定，發(fā)散激光束通過(guò)初始自由曲面透鏡，利用蒙特卡羅光線追跡方法確定目標(biāo)面能量分 布，通過(guò)目標(biāo)面能量分布與目標(biāo)面預(yù)期能量分布比較，并對(duì)輸入面能量網(wǎng)格或目標(biāo)面網(wǎng)格 進(jìn)行調(diào)整，以對(duì)自由曲面透鏡的調(diào)整自由曲面；當(dāng)目標(biāo)面能量分布與目標(biāo)面預(yù)期能量分布 一致四，能確定光束整形自由曲面透鏡，利用光束整形自由曲面透鏡能實(shí)現(xiàn)對(duì)具有相同光 強(qiáng)分布的發(fā)散激光束進(jìn)行有效整形，確保帶有發(fā)散角激光束在工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定性以及可靠 性。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為平行激光束的示意圖。
[0019] 圖2為發(fā)散激光束的示意圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明輸入面能量網(wǎng)格以及目標(biāo)面網(wǎng)格的劃分示意圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明自由曲面透鏡的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 為了能對(duì)帶有發(fā)散角的激光束進(jìn)行有效整形，確保帶有發(fā)散角激光束在工業(yè)應(yīng)用 的穩(wěn)定性以及可靠性，本發(fā)明的光束整形方法包括如下步驟：
[0024]a、提供與待整形發(fā)散激光束具有相同光強(qiáng)分布的平行激光束，并對(duì)所述平行激光 束的輸入面進(jìn)行能量網(wǎng)格劃分，控制平行激光束的輸入面內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的能量相等，以確定 輸入面內(nèi)每個(gè)能量網(wǎng)格的面積，得到所需的輸入面能量網(wǎng)格；
[0025] 具體地，平行激光束的發(fā)散角為0度，即沒(méi)有發(fā)散，平行光束只是一種理想的光 束，激光器輸出的激光束都是帶有一定的發(fā)散角，如圖1和圖2所示。平行激光束與待整形 的發(fā)散激光束具有相同的光強(qiáng)分布；對(duì)于待整形的發(fā)散激光束以及與所述發(fā)散激光束相對(duì) 應(yīng)的平行激光束而言，激光束的光強(qiáng)為確定已知。將平行激光束的光束截面上，依照能量均 勻分布的原則劃分成ΜXN份，即將輸入面的輸入面能量網(wǎng)格數(shù)量為ΜXN個(gè)，輸入面能量網(wǎng) 格呈陣列排布。由于平行激光束的光強(qiáng)分布已知，控制每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格內(nèi)的能量相等， 即可確定每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格的面積，完成對(duì)平行激光束輸入面的能量網(wǎng)格劃分。具體實(shí) 施時(shí)，輸入面能量網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量可以根據(jù)需要進(jìn)行確定，在平行激光束光強(qiáng)分布已知情 況下，控制每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格的能量相等，獲得每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格面積的過(guò)程可以采 用本技術(shù)領(lǐng)域常用的技術(shù)手段，具體為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，此處不再贅述。
[0026] b、確定所述待整形發(fā)散激光束要打到的目標(biāo)面，并根據(jù)輸入面能量網(wǎng)格的數(shù)量對(duì) 所述目標(biāo)面進(jìn)行等面積的網(wǎng)格劃分，以得到所需的目標(biāo)面網(wǎng)格，目標(biāo)面的目標(biāo)面網(wǎng)格數(shù)量 與輸入面的輸入面能量網(wǎng)格相一致；
[0027] 本發(fā)明實(shí)施例中，目標(biāo)面即為利用激光束進(jìn)行工業(yè)加工等的表面，利用發(fā)散激光 束能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)面的工業(yè)加工等操作要求。對(duì)于確定的目標(biāo)面，目標(biāo)面的面積相應(yīng)地確定。 當(dāng)平行激光束的輸入面劃分MXN個(gè)輸入面能量網(wǎng)格后，目標(biāo)面上的目標(biāo)面網(wǎng)格的數(shù)量也 隨之被確定為MXN個(gè)。根據(jù)等面積劃分的原則，得實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)面的網(wǎng)格劃分。如圖3所 示，為平行激光束的輸入面、目標(biāo)面的劃分示意圖，圖3中左邊為輸入面的輸入面能量網(wǎng)格 劃分示意圖，圖3中的右邊為目標(biāo)面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)面網(wǎng)格劃分示意圖。
[0028] c、提供初始自由曲面透鏡，并將劃分上述輸入面能量網(wǎng)格的平行激光束入射到自 由曲面透鏡的平面，且使得每個(gè)輸入面能量網(wǎng)格的激光束通過(guò)自由曲面透鏡打到目標(biāo)面相 對(duì)應(yīng)的目標(biāo)面網(wǎng)格內(nèi)，利用光的折射定律以及邊緣光線方法，確定所述初始自由曲面透鏡 的自由曲面上各采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)，以得到自由曲面透鏡的初始自由曲面；
[0029] 本發(fā)明實(shí)施例中，利用自由曲面透鏡能實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的整形，但現(xiàn)有的自由曲面 透鏡不能與對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布以及相應(yīng)發(fā)散角的激光束進(jìn)行有效整形。自由曲面透鏡具有兩個(gè) 面，一個(gè)面為平面，主要用于接收激光束，一個(gè)面為自由曲面，自由曲面透鏡對(duì)接收的激光 束整形后經(jīng)自由曲面射出，并最終打到目標(biāo)面上。
[0030] 平行激光束經(jīng)過(guò)初始自由曲面透鏡打到目標(biāo)面內(nèi)時(shí)，每個(gè)輸入面能量