【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光光束整形领域，涉及一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法。
技术介绍
1、超快激光加工技术已广泛应用于打孔、划片、雕刻切割等超精密加工过程中。所用的激光器多为飞秒、皮秒、纳秒等高功率脉冲激光器，输出激光光斑接近高斯型分布，如图2左图。由于激光功率较高，光斑模式复杂，导致激光光束能量空间分布不均，中间强边缘弱，形状不规则且伴有较多散斑。这种能量分布不均匀会导致加工工件表面的不平整，难以实现侧壁陡直的深孔加工，且因局部能量过高易灼伤工件。因此，对激光光束进行空间光束整形，生成能量分布集中且均匀的平顶光，成为高精度、高质量加工的必要前提。另外，在进行复杂图形加工时，往往需要光束扫描才能完成，因此光束的精确搭接显得尤为重要。而常见的圆形平顶光束因其弧形边缘特征而造成搭接时顶部均匀度下降。相对而言，正方形平顶光束则成为克服上述困难的有效解决方案，如图2右图。
2、目前，正方形平顶光束的产生方法主要有两种，一种是基于几何光学的整形方法，通过透镜组合光学元件，对光束形状进行调整生成正方形平顶光束；另一种则是基于衍射光学的整形方法，通过解析式法或者相位恢复算法计算整形所需的衍射相位分布，然后将计算所得的相位分布记录于衍射光学元件上或者输入空间光调制器上，高斯型光斑能量空间分布的入射光束照射到上面后，在其后的透镜焦平面生成衍射相位分布对应的正方形平顶光束，其中空间光调制器由于其灵活性而被广泛使用。
3、然而，现有技术中，基于几何光学原理的整形方法需要多种透镜及光学元件组合，存在装置结构复杂、体积较大
技术实现思路
1、本专利技术解决技术问题所采取的技术方案是：一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，包括以下步骤：
2、步骤s1：确定入射光束的参数，所述入射光束的参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光斑能量空间分布；
3、步骤s2：确定正方形平顶光束的参数，所述正方形平顶光束的参数包括：所述正方形平顶光束的波长和所述正方形平顶光束的光斑能量空间分布；
4、步骤s3：根据所述入射光束的参数和所述正方形平顶光束的参数确定圆形解析相位，将所述圆形解析相位作为衍射相位分布初始值，所述衍射相位分布为将入射光束整形成正方形平顶光束的衍射相位分布；
5、步骤s4：根据所述入射光束的参数以及所述正方形平顶光束的参数，将此衍射相位分布初始值代入相位恢复算法进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布；
6、步骤s5：将优化后的衍射相位分布输入空间光调制器，即可生成高能量利用率、高顶部均匀度且无散斑的正方形平顶光束。
7、优选的，所述步骤s3中，所述圆形解析相位为根据理论推导出的将入射光束整形成圆形平顶光束的解析相位分布，所述圆形平顶光束的直径与正方形平顶光束的边长相等；将所述圆形解析相位作为实现正方形平顶光束的衍射相位分布的初始值。
8、优选的，所述步骤s3中，所述入射光束为高斯型光斑能量空间分布的圆形入射光束；所述正方形平顶光束是截面为正方形且具有平顶型光斑能量空间分布的光束。
9、更优的，所述入射光束的振幅分布公式为uin，入射光束的束腰半径为w1，正方形平顶光束的振幅分布公式为ut，正方形平顶光束的边长为d，同时d也是圆形平顶光的直径。
10、首先，推导圆形解析相位。根据焦平面坐标和空间光调制器坐标之间的映射关系：r2(r1)，r1为空间光调制器上坐标位置，r2为焦平面上的坐标位置，空间光调制器上的相位分布表达式可以表达为：
11、
12、其中，λ为入射光束的波长，f为空间光调制器之后透镜的焦距。假设输出的圆形平顶光束在半径范围内具有均匀的强度。将束腰半径为w1的高斯光束照射到空间光调制器上，根据能量守恒，可以得到：
13、
14、接下来，受空间光调制器和焦平面的尺寸限制，可按输入光束和目标光束的能量分布比例关系，将空间光调制器上的r2坐标与焦平面上的坐标r1的映射关系表达为：
15、
16、结合映射关系以及相位分布表达式可以得到圆形解析相位：
17、
18、其次，将所述圆形解析相位直接输入空间光调制器，可以生成直径为d的圆形平顶光束。而在本专利技术中，所述圆形解析相位将作为生成正方形平顶光束的衍射相位分布初始值。
19、优选的，所述步骤s4中，根据所述入射光束的参数确定所述入射光束的振幅分布公式uin；根据所述正方形平顶光束的参数确定所述正方形平顶光束的振幅分布公式ut；将所述衍射相位分布初始值、所述入射光束的振幅分布公式、所述正方形平顶光束的振幅分布公式带入相位恢复算法进行迭代优化，得到最终优化后的衍射相位分布。
20、更优的，所述相位恢复算法进行迭代优化中，每次循环计算顶部均匀度和能量利用率，顶部均匀度γ＝1-δ，δ是顶部不均匀度，能量利用率用ρ来表示。
21、更优的，所述顶部不均匀度、能量利用率分别具体定义如下：
22、
23、
24、
25、其中w表示在焦平面上的平顶光束区域；i(x2,y2)表示整个焦平面上所有区域的光强分布，这就包括平顶光束区域以及其边缘的非平顶区域；n是平顶光束区域离散点的采样总数；表示平顶光束区域的平均光强。
26、更优的，所述顶部不均匀度δ表示的是输出光束的平顶区域具有的顶部光强分布的不平整度。顶部不均匀度δ的值越小，即顶部均匀度γ＝1-δ越大，表示在平顶光束区域的光强分布越均匀。
27、更优的，所述能量利用率ρ则是平顶光束区域所有点的光强总和与输出光束光强总和的比值，能量利用率ρ代表的是平顶光束在整个输出光束中所占的比例。能量利用率ρ的值越高，表示平顶光束在输出光束中占得比重越大。
28、本专利技术的有益效果是：
29、本专利技术通过确定入射光束和目标正方形平顶光束的参数，得出实现直径与正方形边长相等的圆形平顶光束的圆形解析相位，将此圆形解析相位作为实现正方形平顶光束的衍射相位分布初始值，根据入射光束和正方形平顶光束的参数，对圆形解析相位进行迭代优化，得到最终优化后的衍射相位分布，将此优化后的衍射相位分布输入空间光调制器，即可在其后透镜的焦平面上生成正方形平顶光束。
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1.一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述圆形解析相位为推导出的将入射光束整形成圆形平顶光束的解析相位分布，所述圆形平顶光束的直径与正方形平顶光束的边长相等；将所述圆形解析相位作为实现正方形平顶光束的衍射相位分布的初始值。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述入射光束为高斯型光斑能量空间分布的圆形入射光束，所述正方形平顶光束为截面为正方形且具有平顶型光斑能量空间分布的光束。
4.根据权利要求3所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述入射光束的振幅分布公式为uin，入射光束的束腰半径为w1，正方形平顶光束的振幅分布公式为ut，正方形平顶光束的边长为d，同时d也是圆形平顶光束的直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所述入射光束的参数确定所
6.根据权利要求5所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述相位恢复算法进行迭代优化中，循环计算顶部均匀度和能量利用率，其中，顶部均匀度γ＝1-δ，δ是顶部不均匀度，能量利用率用ρ来表示。
7.根据权利要求6所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述顶部不均匀度、能量利用率的具体定义分别如下：
8.根据权利要求7所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述顶部不均匀度表示的是输出光束的平顶区域具有的顶部的不平整度，它的值越小，即顶部均匀度γ越大，表示在平顶光束区域的光强分布越均匀。
9.根据权利要求7所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述能量利用率ρ是平顶光束区域所有点的光强总和与输出光束光强总和的比值，能量利用率ρ代表的是平顶光束在整个输出光束中所占的比例。能量利用率的值越高，表示平顶光束在输出光束中占得比重越大。
...【技术特征摘要】
1.一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述圆形解析相位为推导出的将入射光束整形成圆形平顶光束的解析相位分布，所述圆形平顶光束的直径与正方形平顶光束的边长相等；将所述圆形解析相位作为实现正方形平顶光束的衍射相位分布的初始值。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述入射光束为高斯型光斑能量空间分布的圆形入射光束，所述正方形平顶光束为截面为正方形且具有平顶型光斑能量空间分布的光束。
4.根据权利要求3所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述入射光束的振幅分布公式为uin，入射光束的束腰半径为w1，正方形平顶光束的振幅分布公式为ut，正方形平顶光束的边长为d，同时d也是圆形平顶光束的直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆形解析相位的正方形平顶光束整形方法，其特征在于，所述步骤s4中，根据所述入射光束的参数确定所述入射光束的振幅分布公式uin；根据所述正方形平顶光束的参数确定所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁慧敏，张磊，毛建勇，陈文强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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