柱面微透鏡用于激光勻化正方形光斑

時(shí)間：2023-04-03作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：107

在激光加工領(lǐng)域中，普遍需要得到能量均勻分布的正方形的勻化光斑。針對這一類激光勻化需求，我司推出過雙微透鏡陣列的勻化方案。該方案使用的是兩片子單元為正方形的微透鏡陣列，該方案中的光路調(diào)試過程中，兩片微透鏡陣列的子單元要求對準(zhǔn)，對調(diào)試的精度要求稍微偏高?，F(xiàn)我司推出使用兩片柱面微透鏡得到正方形勻化光斑的方案，降低了對調(diào)試的精度要求。本文針對后者勻化方案作了簡要介紹。

常見的雙微透鏡勻化光路，如下圖所示：






激光光源經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后，準(zhǔn)直入射到**面微透鏡陣列上，微透鏡陣列上的每個(gè)子單元是一個(gè)個(gè)陣列排布的微小的聚焦透鏡，光束經(jīng)過的眾多子單元的分割并重新聚焦，形成了陣列排布的焦點(diǎn)?？山频貙⑷肷涞墓馐?，看成對應(yīng)于透鏡陣列的光束簇陣列。重新聚焦后的多個(gè)小光束相互疊加，基于陣列排布的對稱性，也即出射小光束的對稱性，小光束的不均勻性相互抵消，較終在接收屏幕上形成均勻的目標(biāo)光斑。較終光斑的計(jì)算公式如下：

D_FT= p_LA?f_FL/ f_LA2

 

原理相近的，使用兩片相同的柱面微透鏡，柱列的pitch值對應(yīng)上式的p_LA，柱面微透鏡的焦距對應(yīng)上式的f_LA2。根據(jù)所需的正方形勻化光斑的邊長及工作距離，即可算出對應(yīng)的柱面微透鏡的p/f值，較終選擇合適的柱面微透鏡。

調(diào)試過程中，需要主要的事項(xiàng)主要有光源質(zhì)量M2、對準(zhǔn)、光路放置、入射光準(zhǔn)直問題。

光源的質(zhì)量M2只要大于5一般都適用于該平**光整形光路。該激光勻化光路是將準(zhǔn)直入射的光，重新細(xì)分成規(guī)則排布的細(xì)小光束，對稱展開實(shí)現(xiàn)激光能量在光斑區(qū)域的均勻分布。其均勻性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件不同，可以達(dá)到70~80%。理論上，口徑P越小，其勻化效果越好。但，同時(shí)會帶來衍射的干擾的影響，導(dǎo)致終端的勻化效果反而不理想。一般我們建議適用口徑盡可能大于300μm。如果激光的光源的想干性沒那么強(qiáng)的，也可以適當(dāng)小些。需要注意的是，勻化光斑的四方微弱的衍射屬于正常情況，可以同過提高精度和面型光潔度改善，但是對應(yīng)的成本過高，性價(jià)比不高。









相應(yīng)的，如果相干性強(qiáng)的，則需要較大的口徑，大于500μm。

正交對準(zhǔn)——主要是兩片相同的柱面微透鏡之間柱列成90°正交對準(zhǔn)，這也是使用兩片柱面微透鏡勻化正方形光斑的主要優(yōu)點(diǎn)。相對于兩片正方形子單元微透鏡陣列的勻化方案的對準(zhǔn)：需要將兩片微透鏡陣列的子單元也要對準(zhǔn)，這就需要不斷地微調(diào)兩片微透鏡陣列的相對位置；而使用兩片柱面微透鏡的勻化，只需要將兩片柱面微透鏡之間柱列成90°正交對準(zhǔn)，大大降低了調(diào)節(jié)難度。

光路放置問題——首先是柱面微透鏡勻化的放置。兩片柱面微透鏡是凸面對外，平面相對的。兩者之間的距離即焦距的長度，可以稍微長一些。聚焦鏡的位置，沒有嚴(yán)格的要求，可以等光路放置好后調(diào)整其前后距離對平**光整形光斑的大小和效果做微調(diào)。也可以微調(diào)兩個(gè)微透鏡陣列之間的距離微調(diào)。

入射光的準(zhǔn)直——柱面微透鏡勻化方案的入射光的準(zhǔn)直性越好，出射的效果越佳。

目前，使用兩片柱面微透鏡的勻化方案只適用于得到正方形的勻化光斑，若想得到長方形的勻化光斑，仍需要使用兩片子單元為長方形的微透鏡陣列來調(diào)節(jié)光路。










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