[其他]方形激光斑聚焦器

说明书

本设计提出了一种光学装置，它不仅可以将截面积为圆形的单模高斯光束转换或截面为方形的均能分布，而且可以任意调节方形均能光斑的大小，以满足实际应用的需要。

在材料表面的改性处理、精密加工，以及半导体集成电路的制作工艺中，为获得较高的激光处理质量，人们希望获得截面为方形且能量分布均匀的激光束，以期实现激光对材料表面的均匀扫描幅照。为达到上述目的，国内外研制过不少光学装置，但迄今为止，还不能较满意地满足实际应用的需要，其原因在于，大部分装置的设计均不能有效地消除光的菲涅耳衍射对预期光斑的不良影响。由于光的菲涅耳衍射，光斑边沿处能量的空间跃变缓慢，衍射条纹在光斑内部的迭加又引起新的不均匀分布，从而降低了光斑的质量。（例如1983年y.Kawamura（日本），y.Itagaki，K.Toyoda        and    S.Namba等人提出的装置：        OPtics    Comm.48（1983）44.        ）。为获得较满意的光斑，人们不得不增加对入射光束的分割份数，使每束被分割的激光在迭加平面形成接近方形均匀分布的光斑（例如D.MDagenais（美国）J.A.Woodroffe    and    I.ItzkanAppl.Optics.24（1985）671.）。然而，多束光的迭加虽可以在光斑内部让菲涅耳衍射条纹统计相消，但光斑边沿能量的上升特性并不能发生明显好转；此外，光学部件的增多对装置的加工与配置精度提出了更为苛刻的要求，工艺的复杂化使装置制作成本大大增加。

在我国，近年来激光热处理的应用研究有较大的发展，变激光能量为均匀分布的课题也得到积极研究，但以1986年全国热处理会议上所报导的两种装置（正八面体转镜和正二十四面体转镜）来看，在克服菲涅耳衍射对光斑边沿处引起的能量缓慢下降方面，事实上无明显改善。

经理论证明    利用相干光的成像原理，将能最大限度地削弱光的衍射作用对予期光斑的不良影响，从相干光的成像原理出发所设计的光学装置，将使形成光斑的质量较以往的同类装置的各项指标提高近10倍。1986年7月本设计人曾与J.MERLIN（法国）.J.PEREZ（法国）合作、发表过一种较为满意的装置（        Revue    de    physique    Appliquée    21（1986）425.），它可以将单模高斯激光转化为能量分布截面接近于理想矩形的高质量光斑。但是，装置有一不足之处是只能提供边长大于入射光束半径的均能光斑，在需要高能量密度激光幅射的场合，装置的使用仍受到限制。

本设计的目的在于基于过去研究的基础，重新提出一种新的装置，该装置不仅可以将单模高斯激光转换为质量优良的方形均能光斑，而且可以随意调节光斑的大小（包括边长远小于入射激光束半径的情况）

图一为本发明的示意图。半径为W的单模高斯激光沿系统对称轴垂直入射到一面四棱折射镜A上，该折射棱镜的形状与系统对称轴对称。穿过折射棱镜A后激光被分割为四瓣几何对称的光束，并分别沿自己的折射方向投射到与A相距为d₀的第二面四棱折射镜B上。在棱镜B后紧贴放置有一焦距为f的成像透镜C，若选择折射棱镜A的出射平面oxy为透镜C的物平面，通过元件参数及配置位置的适当选择，可以在该物平面上形成由四个1／4高斯光束截面相互迭加的方形“虚物”，这样，在透镜C的像平面上得到该“虚物”的实像。当物平面上“虚物”的边长与高斯光束半径之比约为1.1时，我们将在透镜后距离di处的像平面O_iX_iY_i上获得放大 M＝d_i／d₀倍的方形均能光斑。

为体现本设计所提出装置的性能（以下将该装置简称为L）兹在同等条件下和y、Kawamura（日本）所提出的装置（以下简称K）进行理论比较。

设入射光束的半径为W＝7毫米，波长λ＝10.6（微米）以及光学系统的出射平面到迭加平面的距离为di＝120毫米，由于装置K无放大或缩小作用，我们暂且选择装置L的放大率M＝1图Z－L为装置L所获得的光斑能量分布形态。图2－K为装置K所获得的光斑能量分布形态。图3为这两种装置所获得光斑的能量分布轴向剖面比较图。

由于本装置可以通过更换焦距不同的成像透镜的办法、改变像的放大率、调整合成方形光斑的尺寸。以下选择放大率M＝0.5，1，1.5其他条件不变对装置L获得的光斑进行计算，得到图4所示的光斑在同一坐标中的能量分布剖面。