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        利用折射光束整形控制激光強度分布和光斑形狀
        材料來源: 江蘇激光產業技術創新戰略聯盟           錄入時間:2022/4/15 9:20:29

        隨著高功率激光在材料加工中的日益普及,人們對激光強度分布和光斑形狀的控制有著各種各樣的要求。由于激光源的多樣性,要求的復雜性也增加了:固態、二極管或光纖激光器可以是TeM00或多模、自由空間或光纖耦合、連續波或脈沖,激光功率范圍從幾瓦到幾千瓦。為了滿足這些要求,最新的光束整形解決方案可以建立在像πShaper這樣的場映射折射光束整形器的基礎上,其工作原理意味著將激光強度分布從高斯變換到平頂、超高斯或逆高斯,保持光束一致性,準直輸出光束的低發散度。高透射率,擴展景深,能夠與TeM00或多模激光器一起工作,儀器如望遠鏡或準直儀。本文介紹了折射光束整形器的基本原理和重要特點,以及一些可在此基礎上構建的光學布局,以滿足現代激光技術的要求。

        現代激光技術中應用了幾種光束整形技術:光圈截斷光束、變跡濾波器衰減、基于微透鏡陣列、微鏡、棱鏡和各種衍射光學元件的集成系統,但這些技術在現代強激光中的應用往往受到效率或對高功率激光輻射的抵抗力的限制。同時,場映射型折射光束整形器在實現TEM00和多模激光器的各種光束整形解決方案時,表現出幾乎無損的強度分布變換、高電阻和靈活性。因此,這里建議考慮該光束整形技術的一些重要特征。

        折射光束整形器的基本原理

        圖1折射場映射光束整形器πShaper。

        像πShaper這樣的場映射型折射光束整形器的設計原理是眾所周知的。大多數情況下,這些設備都是由兩個光學組件組成的望遠鏡系統實現的,這意味著輸入和輸出處的波前是平坦的,通過精確地引入第一個分量的波差,并通過第二個分量進一步補償(圖1,上),可以在受控的控制器中實現強度分布從高斯到均勻的轉換。因此,產生的準直輸出光束具有均勻的強度和平坦的波前,其特點是低發散度——幾乎與輸入光束的發散度相同。換句話說,場映射器在不降低光束一致性和不增加光束發散度的情況下變換強度分布。簡而言之,折射場圖的主要光學特征是:

        •折射光學系統將高斯強度分布轉換為平頂(頂帽,均勻)強度分布;

        •通過受控相位前沿操縱進行轉換——第一個光學組件引入重新分配能量所需的球差,然后第二個光學組件補償像差;

        •輸出光束無像差,相位輪廓保持平坦,因此提供低發散度;

        •使用TEM00和多模波束,

        •準直輸出光束,

        •產生的光束輪廓在長距離內保持穩定;

        •實現望遠鏡或準直光學系統;

        •消色差光學設計,因此在一定光譜范圍內同時提供光束整形效果;

        •Galilean設計,無內部聚焦。

        圖2光束整形示例:左:輸入TeM00光束,右:πShaper后(來源:InnoLas Laser GmbH)。

        Nd:YAG激光器的光束整形示例如圖2所示。這些測量輪廓表明,光束整形器不僅轉換了強度輪廓,還改善了光斑形狀——可以看到輕微扭曲的輸入光束被轉換為具有規則圓形光斑形狀的平頂輸出光束。

        場映射光束整形器的重要特點是能夠實現光束整形和準直功能相結合的準直光學系統:發散高斯光束轉換為準直平頂光束。準直光束整形器的示例如圖3所示。

        圖3從光纖到準直平頂的發散高斯光束轉換。

        這一特性對于現代高功率光纖激光器以及光纖耦合二極管和固體激光器非常重要。

        折射場映射器能夠同時使用TEM00和多模激光束,這使其在其他原理上與光束整形器不同;顯然,這一特點在實踐中也很重要。

        配置文件的控制

        由于光束整形器的工作原理,輸入光束尺寸的變化導致輸出強度分布的變化(圖1,底部)。該功能被用作一個強大且方便的工具,通過簡單改變激光束直徑來改變產生的強度分布。例如,在光束整形器之前使用變焦光束擴展器,可以提供平頂、反向高斯或超高斯強度分布。

        盡管光束整形器采用圓形設計,但也可以實現一些非圓形對稱輪廓,例如,橢圓輸入光束被轉換為“屋頂”輪廓,其特征是一個方向的強度均勻,另一個方向的強度為高斯(圖4)。逆高斯強度分布適用于要求工件溫度分布均勻的應用,例如塑料焊接、激光加熱和硬化技術、選擇性激光熔化。同時,超高斯分布在光譜激光合成、DPSS激光器泵浦、MOPA激光器設計等技術中也很有用。當特定任務需要非常高的線性光斑縱橫比時,“屋頂”輪廓非常有用,然后輸出光束在“高斯”部分聚焦會導致窄線。

        圖4 頂部:將圓形高斯光束轉換為圓形平頂;底部:橢圓高斯光束被轉換為屋頂輪廓。

        改變輸出光束輪廓的另一種方法是通過改變光束整形器組件之間的距離,在內部改變光束大小,這種方法如圖5所示,其中顯示了多模光纖耦合固體激光器的輸入和輸出光束輪廓。

        將高功率固態光纖耦合激光器的輻射(l=1064 nm, P = 2 kW,纖芯直徑600mm)輸入到πShaper37_34_1064(見圖7中的照片),結合了光束整形和準直功能。從光纖中射出的光束是發散的,其輪廓如圖5 a所示。πShaper的輸出是經過調節的光束,根據基本設計,它具有平頂光強分布(圖5 b)。通過光學元件之間距離的內部變化,實現了輸出光束輪廓的變化,從而實現了圖5 c和圖5 d所示的逆高斯輪廓。

        圖5大功率多模激光器的光束整形(來源: Daimler AG)。

        顯然,激光束大小的簡單外部或內部變化允許使用相同的光束整形器單元生成不同的輪廓。

        光斑形狀的控制

        根據基本設計,折射場映射光束整形器的輸出光束是圓形的,并且具有預定的尺寸。然而,在大多數實際情況下,有必要放大或去放大光束,或將其形狀改為橢圓或線性。由于折射光束整形器的輸出是準直的低發散光束,因此使用光束擴展器、成像光學或變形光學系統可以輕松實現對激光光斑形狀的操縱。

        圖6展示了用于微加工以產生均勻強度的方形激光光斑的成像光學系統示例。

        圖6使用πShaper和成像系統創建方形斑點;頂部:光學布局,底部:左側-輸入光束,中心:πShaper輸出,右側-最終方形光斑50 x 50mm2。

        該系統是由用于微加工應用的普通組件構建的:激光、光束擴展器、galvomirror掃描頭和F-theta透鏡。利用折射光束整形器實現從高斯到平頂的光強重分布,并使用由附加準直器和上述F-theta透鏡組成的成像光學元件將其輸出成像到工件上:光束成形器的輸出被認為是一個對象,然后在F-theta透鏡的焦平面上創建圖像。在該特定應用中,最終創建一個方形光斑是一項任務,因此該對象被實現為安裝在光束整形器后的方形光圈(圖6中心虛線)。得到的圖像是50 × 50mm2大小的正方形斑點和平頂強度剖面(圖6,右下)。

        由此產生的光斑的強度分布以光斑邊緣的高均勻性和高陡度為特征,這在PCB中鉆盲孔或修復顯示像素等應用中非常重要。

        一些激光應用如激光清洗、退火、硬化和熔覆,是通過使用多模激光源實現的,如光纖耦合固態激光器和二極管激光器或光纖激光器。同時,在這些技術中,激光光斑的線性形狀更可取,而πShaper與變形光學相結合,為這項任務提供了一個穩健的解決方案。圖7顯示了一種基于πShaper 37_34_1064的多千瓦多模激光器的系統實現。

        圖7 多模激光束生成“激光線”。

        在所考慮的布局中,均勻強度的準直光束從準直光束整形器中射出,然后通過變形光學系統聚焦到工件上,變形光學系統被實現為一對透鏡:一個正球面透鏡和一個負圓柱透鏡。由于變形光學系統的固有像散,光束聚焦在一個截面上,如圖7中的Y,但在垂直截面X上保持非聚焦,因此產生了一個線性形狀的光斑。該布局是為了利用高功率光纖激光器的輻射進行金屬硬化而實現的,并創建了一條長度為10 mm、寬度約為0.5 mm的線。理論計算和實驗結果的數據如圖8所示。顯然,理論和實驗結果之間存在良好的一致性。在πShaper后應用更復雜的變形光學元件,可以提供具有極高(高達1:1000)縱橫比的線性光斑;變形光學系統設計的開發通常是特定技術項目的重點。

        圖8:“線”生成:左:計算機模擬,右:根據圖7在布局中的測量剖面。(來源:IPG Photonics)

        結論

        在場映射型折射光束整形器中實現的光學方法允許將這些系統作為通用工具應用于生成各種強度分布。這些光束整形器最初設計用于將高斯光束轉換為均勻強度的光束,在生成其他輪廓時顯示出高度的靈活性:逆高斯、超高斯,以及各種光斑形狀:圓形、方形或線性。pShaper的一個顯著特點是,使用相同的光束整形器單元可以實現這種不同的結果:張力分布和光斑形狀。

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