一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法技術

本發明專利技術公開了一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，涉及激光照明、投影和加工等激光整形應用領域。本發明專利技術針對微透鏡列陣實現激光光束整形勻化時，由于微透鏡列陣的周期性和激光的相干性，在目標面產生周期性點陣，降低了光束勻化效果的問題，提出一種利用中心離軸型微透鏡列陣結構消除點陣效應以實現激光光束勻化的方法。通過設計微透鏡列陣中的子透鏡單元位置，獲取子透鏡單元中心離軸分布的微透鏡列陣，利用離軸量的隨機性打破微透鏡列陣的周期性，消除目標面處的相干條紋，實現高均勻性的光斑分布。本發明專利技術能夠有效消除激光光束整形中的點陣效應，是一種實用的光束整形方法，具有較大的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法
本專利技術涉及激光光束整形領域，具體涉及一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化的方法。
技術介紹
在激光照明、投影和加工等激光整形領域應用中，由于相干激光光束的強度為高斯分布，往往需要變換為平頂分布來實現其光束勻化的目的。目前常用的激光束整形光束勻化的方法有兩種，一種是衍射型的，一種是折射型的。衍射型光束勻化元件由于受其設計思想限制，一般工作頻段較窄，適用于光譜范圍小的特定工作場合，不具有通用性。另外，衍射元件非連續表面輪廓所引起的雜散光較多，降低了能量利用率。而折射型光束勻化元件具有較長的工作頻段，適用于更寬的光譜范圍，且雜散光較少能夠滿足大部分的使用要求。通常折射型光束勻化元件，分為單片式和雙片式。結構上的主要區別是單片式由一個常規微透鏡列陣和一個傅立葉透鏡組成；雙片式由兩個相同的常規微透鏡列陣和一個傅立葉透鏡組成。而這兩種折射型光束勻化元件的勻化光束的原理一致，區別是雙片式的對具有一定發散角的入射光有一定的容差。其光束勻化的原理是微透鏡列陣把光源光束分成多個小光束，再通過傅里葉透鏡或者微透鏡列陣和傅里葉透鏡使所有的小光束都鋪滿整個目標光斑區域；多個小光束相互疊加，由于是軸對稱系統，小光束的不均勻性相互抵消，最終在接收屏幕上形成均勻的目標光斑。然而，應用于激光光束勻化時，由于激光具有較強的相干性，傅里葉透鏡對分割后的周期性的細光束進行一次傅里葉變換作用，周期性結構的傅里葉變換仍具有周期性，目標面上將產生周期性分布的點列陣，將大大降低微透鏡列陣勻化效果。
技術實現思路
本專利技術要解決技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，消除勻化過程中的點陣效應以實現高均勻性光斑，滿足實用化的要求。本專利技術解決上述技術問題采用的技術方案是：一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，中心離軸型微透鏡列陣將入射激光光束分成多個小光束，再經過周期性微透鏡列陣以及傅里葉透鏡作用，使所有的小光束相互疊加鋪滿整個目標光斑區域，從而相互抵消小光束間的不均勻性，以實現激光光束的勻化。所述中心離軸型微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的口徑和焦距相同。所述中心離軸型微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的中心離軸分布，中心離軸量隨機產生。所述周期性微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的周期性分布。所述周期性微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑、焦距以及陣列數與所述中心離軸型微透鏡列陣中的子透鏡單元相同。所述周期性微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑與所述中心離軸型微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑一一對準。所述周期性微透鏡列陣放置于所述中心離軸型微透鏡列陣之后，兩個微透鏡列陣之間的距離可以自由設計。所述傅里葉透鏡放置于所述周期性微透鏡列陣之后的任意位置，該位置根據應用需求自由設計。在所述傅里葉透鏡的焦平面上獲得勻化后的光斑。本專利技術的有益效果在于：利用中心離軸型微透鏡列陣結構，打破微透鏡列陣的周期性的激光勻化方法，可以有效消除目標面處的相干條紋產生的點陣效應，實現高均勻性的光斑分布，是一種實用的光束整形方法，可以在激光加工和照明等方向有較大的應用前景。且中心離軸型微透鏡列陣為折射型器件，具有較長的工作頻段，適用于較寬的光譜范圍，雜散光較少能夠滿足諸多應用需求。附圖說明圖1為本專利技術基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法的系統結構示意圖；圖2為實施例中一種中心離軸型微透鏡列陣中子透鏡單元設計示意圖；圖3為實施例中一種中心離軸型微透鏡列陣的相位分布圖；圖4為實施例中一種周期性微透鏡列陣的相位分布圖；圖5為實施例中一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法的勻化光斑圖。具體實施方式下面結合附圖及具體實施方式詳細介紹本專利技術。但以下的實施例僅限于解釋本專利技術，本專利技術的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例，本領域技術人員即可以實現本專利技術權利要求的全部內容。具體實施例中一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法的系統結構如圖1所示。中心離軸型微透鏡列陣2將入射激光光束1分成多個小光束，再經過周期性微透鏡列陣4以及傅里葉透鏡6作用，使所有的小光束相互疊加鋪滿整個目標光斑區域9，從而相互抵消小光束間的不均勻性，以實現激光光束的勻化。整體系統包括中心離軸型微透鏡列陣2、周期性微透鏡列陣4以及傅里葉透鏡6，它們的中心均位于主光軸0上。中心離軸型微透鏡列陣2中的各個子透鏡單元的口徑和焦距相同，分別為500μm和47.48mm；但是各個子透鏡單元的中心離軸分布，其設計方法如圖2所示，中心離軸型微透鏡列陣的子透鏡單元10的中心與周期性微透鏡列陣的子透鏡單元11的中心存在一個離軸量12。本實施例中設計的最大離軸量為500μm，各個子透鏡單元的中心離軸量在500μm范圍內隨機產生，微透鏡列陣相位分布圖如圖3所示。周期性微透鏡列陣4中的各個子透鏡單元的周期性分布，其子透鏡單元的口徑、焦距以及陣列數與中心離軸型微透鏡列陣中的子透鏡單元相同，分別為500μm、47.48mm和20×20，相位分布圖如圖4所示。如圖1中5所示，在實際應用過程中周期性微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑與中心離軸型微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑一一對準。而周期性微透鏡列陣與中心離軸型微透鏡列陣之間的距離3可以自由設計。該實施例中，設計距離3的值為47.48mm，即中心離軸型微透鏡列陣的焦距。傅里葉透鏡6放置于周期性微透鏡列陣之后的任意位置，兩者之間的距離7根據應用需求自由設計。該實施例設計距離7為30mm，傅里葉透鏡的焦距為50cm，在與傅里葉透鏡距離8的位置處，也即傅里葉透鏡的焦平面上，獲得最終勻化后的光斑9。勻化后的光斑9的大小滿足其中D為子透鏡單元的口徑；F為傅里葉透鏡的焦距；f1為中心離軸型微透鏡列陣的子透鏡單元焦距；f2為周期性微透鏡列陣的子透鏡單元焦距；d為中心離軸型微透鏡列陣與周期型微透鏡列陣之間的距離。那么，最終獲得的光斑大小為5.27mm，如圖5所示，通過設計微透鏡列陣中的子透鏡單元位置，獲取子透鏡單元中心離軸分布的微透鏡列陣，利用離軸量的隨機性打破微透鏡列陣的周期性，可以消除目標面處的相干條紋，實現高均勻性的光斑分布。本專利技術未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知技術。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，其特征在于：中心離軸型微透鏡列陣將入射激光光束分成多個小光束，再經過周期性微透鏡列陣以及傅里葉透鏡作用，使所有的小光束相互疊加鋪滿整個目標光斑區域，從而相互抵消小光束間的不均勻性，以實現激光光束的勻化。

【技術特征摘要】
1.一種基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，其特征在于：中心離軸型微透鏡列陣將入射激光光束分成多個小光束，再經過周期性微透鏡列陣以及傅里葉透鏡作用，使所有的小光束相互疊加鋪滿整個目標光斑區域，從而相互抵消小光束間的不均勻性，以實現激光光束的勻化；所述中心離軸型微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的口徑和焦距相同；所述中心離軸型微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的中心離軸分布，中心離軸量隨機產生。2.根據權利要求1所述的基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，其特征在于：所述周期性微透鏡列陣中的各個子透鏡單元的周期性分布。3.根據權利要求1所述的基于中心離軸型微透鏡列陣的激光光束勻化方法，其特征在于：所述周期性微透鏡列陣中的子透鏡單元的口徑、焦距以及陣列數與所述中心離...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹阿秀，史立芳，鄧啟凌，張滿，龐輝，秦燕云，
申請(專利權)人：中國科學院光電技術研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51