[发明专利]用于形成具有较亮边缘或较暗边缘的均匀强度分布的设备

说明书

用于将激光辐射束转换成具有较亮或较暗边缘的平顶强度分布的光束均化器(30)，包括第一透镜阵列(32)、第二透镜阵列(14)和正透镜(16)。第一透镜阵列(32)包括由没有光焦度的间隙(34)隔开的多个透镜元件(20)。通过选择小于或大于第二透镜阵列中透镜元件的焦距的第一透镜阵列和第二透镜阵列之间的距离来产生较亮边缘或较暗边缘。

优先权

本申请要求于2019年3月12日提交的美国临时申请序列号62/817,331的优先权，其公开内容整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及对来自激光器的光进行整形。它特别涉及将来自一个或多个激光器的光整形为具有带较亮边缘或较暗边缘的均匀横截面的辐射束。

背景技术

激光已成为广泛应用中均匀照明的重要来源，包括半导体材料的表面检测、显示屏玻璃的热退火、金属硬化和生物医学流体的快速测定。一个常见的要求是细长的激光辐射束均匀地照亮透明材料体积中平坦表面或平面上的线。这种细长的激光辐射束通常被称为“线束”。

二极管激光器是将电功率转换为相干光功率的有效装置。对于高功率应用，具有多个二极管激光器发射器的二极管激光器棒提供了一种方便的方法来缩放单个二极管激光器发射器的可用光功率。二极管激光器发射器间隔开并排列成其线性阵列。尽管二极管激光棒固有地具有细长的发射截面，但是必须克服由于来自多个空间分布的二极管激光器发射器的发射而导致的非均匀强度分布。

用于转换激光束以使其在转换光束的横截面上强度均匀的光学装置通常被称为“光束均化器”。光束均化器通常包括一个或两个“微透镜阵列”，包括多个微小透镜，每个都比入射光束小得多。每个微透镜成为对转换光束有贡献的照明源。光束均化器的“间距”是相邻微透镜中心之间的距离。需要额外的光学器件来收集和整形从拦截入射光束的所有微透镜发出的多个光束。微透镜的线性阵列可用作用于由二极管激光棒发射的细长激光辐射束的光束均化器。美国专利第7,265,908号中描述了这种光束均化器的一个示例。

二极管泵浦固态激光器，包括光纤激光器，通常会产生高斯强度分布。高斯激光束可以通过鲍威尔透镜或等效光学器件转换为近似均匀的强度分布，然后使用透镜阵列进行均匀化。来自多个这种二极管泵浦固态激光器的准直激光束可以使用透镜阵列进行组合和均匀化。

板条激光器包括二极管泵浦固态激光器、气体放电二氧化碳激光器和准分子激光器。板条激光器固有地产生线束。然而，线束横截面可能不均匀并且横截面强度分布可能不稳定。透镜阵列用于使来自板条激光器的线束均匀化并组合来自多个板条激光器的线束。

在涉及通过激光照射加热工件的一部分的过程中，完美均匀的横截面强度分布可能不会产生均匀的激光加工，这是由于远离被照射部分的热传输引起的。为了确保均匀加热，通过在强度分布边缘具有较高强度的激光束照射将是优选的。在需要多次通过线束照射工件上的大面积区域的其他工艺中，稍微重叠的相邻通道可确保完全曝光，但可能会导致一次和两次照射部分的处理差异。通过在强度分布的边缘具有较低强度的激光束照射将是优选的，以防止过度曝光。

需要光束整形设备来形成具有较亮边缘或较暗边缘的其他具有均匀横截面强度分布的激光束。优选地，光学设备将具有透镜阵列均化器的优雅、简单和紧凑。

发明概述

在一个方面，根据本发明的光束均化器包括具有多个相同透镜元件的第一透镜阵列。第一透镜阵列的每个透镜元件具有焦距F₁。第一透镜阵列的相邻透镜元件被间隙隔开且每个间隙具有共同的宽度。提供第二透镜阵列。第二透镜阵列的每个透镜元件具有焦距F₂。第一透镜阵列与第二透镜阵列相隔不等于F₂的距离。提供正透镜，并且正透镜位于光轴上。正透镜的焦距为F₃。第一透镜阵列、第二透镜阵列和正透镜沿光轴依次排列。