基于平行平板的等能量激光平行分束装置、方法及系统
技术领域
本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置、方法及系统。
背景技术
激光分束器是激光领域的常用装置。其主要作用是将激光能量进行重新分配，使得激光从不同位置输出，并具有确定的能量分布。分束器常被用于并行激光加工系统中。由于所采用的激光光源能量比较高，或者加工用的激光参数相对较小，为了提高激光器能量的利用率和加工的效率，激光能量分束器成为此类激光加工系统种必不可少的核心单元器件。
激光分束器根据分束原理可分为折射激光分束器及衍射激光分束器。衍射激光分束器的典型代表就是衍射光学元件(DOE)，衍射激光分束器是根据输入光束的特点，通过加载复杂结构，使这些光场在特定输出面进行衍射传输及干涉叠加，形成特定的多光束分布。然而这类分束器对制作要求极为苛刻，很小的制作误差将导致目标衍射场外高级衍射增加，分束均匀性及衍射效率下降，另外，DOE元件进行激光能量分束时，对入射激光的光束质量和波前有严格的要求，激光参数不同入射的激光束分束特性可能完全不同，因此在应用中受到了极大的限制。传统折射型分束器如透镜阵列及棱镜阵列，这类分束器是对输入激光波前进行分割，优点一是结构简单、能够进行多个激光波长的分束。采用定制的镜组阵列会使得分束器成本上升。
此外，传统分束装置出射光通常是非平行光，因此还需加入一组傅里叶透镜对进行准直。而采用传统的平行分束镜进行等能量激光分束，需要采用一些列不同透过率的分束镜，通过级联的方式得以实现，显然对多光束分束系统，镀膜的成本将极大的提高。因此，寻求一种综合性能较好的简易激光均匀分束装置以同时实现能量均匀分束与输出激光的平行传输，在激光加工系统中显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置、方法及系统，旨在解决现有的激光分束装置无法同时实现能量均匀分束与输出激光平行传输的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置，包括：
相互平行且依次设置的第一平行平板、第二平行平板、……、第N平行平板；沿第一平行平板至第N平行平板的方向，各平行平板的两个面依次为第一表面和第二表面；沿入射激光束平行于各平行平板的传播方向，各平行平板的两端依次为第一端和第二端；工作时，入射激光束经第一平行平板的第二表面入射；
第一平行平板的第二表面镀有100％反射膜；第二平行平板至第N平行平板的第二端呈阶梯式排列；第i平行平板用于将入射至其第一表面的每一个光束分为等能量的两个光束，分别经其第一表面和第二表面出射；
经第j平行平板第一表面出射的光束入射至第一平行平板的第二表面，经反射后入射至第j+1平行平板的第一表面；经第j平行平板第二表面出射的光束直接入射至第j+1平行平板的第一表面；
经第N平行平板第一表面出射的2n-1个光束经第一平行平板的第二表面反射后，与经第N平行平板第二表面出射的2n-1个光束共同构成入射激光束经分束后得到的2n个平行光束；
其中，i、j、n和N均为正整数，N≥2，2≤i≤N，2≤j≤N-1，n＝N-1。
本发明利用平行设置的平行平板对入射激光的反射或折射进行分束，使得最终分束得到的所有子光束都是相互平行的；通过在平行平板的表面镀膜，使得光束被不断地分为两束能量相等的子光束直至分束完成，从而最终分束得到的所有子光束都是等能量的。因此，本发明基于平行平板对激光束进行分束，同时实现了能量均匀分束与输出激光平行传输。
衍射激光分束器的制造精度在纳米量级，本发明的光学加工精度在微米量级，而且不需要激光刻蚀及制造掩模版，因此，本发明相比于衍射激光分束器，能够大大降低激光分束成本；折射激光分束器中，定制镜组阵列(微透镜)需要单独设计加工，成本很高，本发明使用常规的平行平板即可实现均匀分束和激光准直，因此，本发明相比于折射型激光分束器，能够大大降低激光分束成本；此外，本发明无需额外的准直透镜进行准直即可实现激光准直，能够进一步降低激光分束成本。因此，本发明在同时实现均匀分束与激光准直的基础上，有效降低了装置成本。
本发明所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，可以通过改变平行平板的厚度与间距，实现出射光束的间距可调。
在本发明一些可选的实施例中，第i平行平板的第一表面镀有50％反射膜，且第i平行平板的第二表面镀有全透膜。
进一步地，各平行平板的相对位置满足如下条件：
经第i+1平行平板的第一表面反射的光束，不会被第i平行平板遮挡，且经第j平行平板的第一表面反射的光束入射至第一平行平板的第二表面并反射后，能够完整入射至第j+1平行平板的第一表面。
本发明基于上述约束设置各平行平板的位置，能够保证光束在不断的反射和折射过程中不会被遮挡，从而保证了分束的均匀性。
在本发明一些可选的实施例中，第i平行平板的第一表面镀有全透膜，且第i平行平板的第二表面镀有50％反射膜。
进一步地，各平行平板的相对位置满足如下条件：
经第i+1平行平板的第二表面反射的光束，不会被第i平行平板遮挡，且经i平行平板的第二表面反射的光束能够完整从第i平行平板的第一表面出射。
本发明基于上述约束设置各平行平板的位置，能够保证光束在不断的反射和折射过程中不会被遮挡，从而保证了分束的均匀性。
进一步地，本发明提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，还包括：夹具，用于固定各平行平板以及调节平行平板的间距。
按照本发明的另一个方面，提供了一种利用本发明提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置进行分束的方法，包括：
根据分束级数M确定平行平板的数量为N＝log2M+1，并根据分束后各级输出光束间的间距要求以及入射角度θ，设定各平行平板的厚度以及平行平板的间距；
将入射激光束以入射角度θ入射至第一平行平板的第二表面，使得入射激光束被基于平行平板的等能量激光平行分束装置分束为M个相互平行且等能量的光束；
其中，M＝2n，n为大于等于1的整数。
按照本发明的又一个方面，提供了一种激光加工系统，包括本发明提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置。
由于本发明所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，能同时实现能量均匀分束与输出激光平行传输，并有效降低装置成本，因此，本发明提供的激光加工系统，能够提高并行加工系统中激光器能量的利用率和加工的效率，并有效降低加工成本。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，利用平行设置的平行平板的反射或折射对入射激光进行分束，使得最终分束得到的所有子光束都是相互平行的；通过在平行平板的表面镀膜，使得光束被不断地分为两束能量相等的子光束直至分束完成，从而最终分束得到的所有子光束都是等能量的。因此，本发明基于平行平板对激光束进行分束，同时实现了能量均匀分束与输出激光平行传输。
(2)本发明所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，仅利用常规的平行平板即可同时实现均匀分束和激光准直，制作要求低，且无需定制镜组或准直透镜，能够有效降低装置成本。
(3)本发明所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，可以通过改变平行平板的厚度与间距，实现出射光束的间距可调。
(4)本发明提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置，利用平行平板组合激光能量分配方案，对入射激光光强的空间分布和模式没有严格要求，均可以实现能量的均匀分配，适用性更强。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置示意图；
图2为本发明实施例1中各平行平板间相对位置关系示意图；
图3为本发明实施例2提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置示意图；
图4为本发明实施例2中各平行平板间相对位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了提供一种综合性能较好的简易激光均匀分束装置以同时实现能量均匀分束与输出激光的平行传输，本发明提供了一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置、方法及系统，其整体思路在于，采用两种类型光学膜系平行平板，通过优化空间结构和平行平板的核心参数，使得光束在平行平板间不断被反射或折射，在此过程中光束被不断地分为两束能量相等的子光束，最终将入射激光束被分为相互平行且能量相等的子光束。
本发明利用N块平行平板，可实现1*2n分束，其中，N≥2，n＝N-1。不失一般性地，以下实施例中，N＝3，相应地，入射激光束经装置分束为4个子光束。
实施例1：
一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置，如图1所示，包括：相互平行且依次设置的第一平行平板、第二平行平板、第三平行平板；沿第一平行平板至第N平行平板的方向，各平行平板的两个面依次为第一表面和第二表面；沿入射激光束平行于各平行平板的传播方向，各平行平板的两端依次为第一端和第二端；工作时，入射激光束经第一平行平板的第二表面入射；如图1所示，由于第一平行平板至第三平行平板从下至上依次设置，且入射激光束沿平行于各平行平板的传播方向为从右至左，各平行平板的第一表面和第二表面分别为下表面和上表面，且第一端和第二端分别为右端和左端；
第一平行平板的上表面镀有100％反射膜，第二平行平板和第三平行平板的上表面均镀有全透膜，且第二平行平板和第三平行平板的下表面均镀有50％反射膜；第二平行平板至第三平行平板的左端呈阶梯式排列；
第二平行平板用于将入射至其下表面的每一个光束分为等能量的两个光束，分别经其下表面和上表面出射；第三平行平板用于将入射至其下表面的每一个光束分为等能量的两个光束，分别经其下表面和上表面出射；
经第二平行平板下表面出射的光束入射至第一平行平板的上表面，经反射后入射至第三平行平板的下表面；经第二平行平板上表面出射的光束直接入射至第三平行平板的下表面；
经第三平行平板下表面出射的两个光束经第一平行平板的上表面反射后，与经第三平行平板上表面出射的两个光束共同构成入射激光束经分束后得到的4个光束；
如图1所示，当入射激光束I0以θ角入射到第一平行平板上表面时，经第一平行平板上表面全反射后，反射光束入射至第二平行平板的下表面；经第二平行平板下表面的反射与折射后，形成两束能量相等的子光束，其中一束从第二平行平板的下表面出射后入射至第一平行平板的上表面，通过第一平行平板上表面反射后再入射到第三平行平板的下表面，另一束从第二平行平板的上表面出射后直接入射到第三平行平板的下表面；入射至第三平行平板下表面的两个光束，经过第三平行平板下表面的反射与折射后，每个光束分别形成两束能量相等的子光束，共形成四个能量相等的子光束，其中两个光束(I1和I2)经第三平行平板的上表面出射后，直接输出，另外两个光束(I3和I4)从第三平行平板的下表面出射后入射到第一平行平板的上表面，全反射后输出；最终，输出的四个光束I1、I2、I3和I4即为入射激光束I0经分束而成的四个能量相等的光束；由于平行平板相互平行放置，最终输出的四个光束I1、I2、I3和I4也相互平行。
为了保证光束分束的均匀性，如图2所示，本实施例中，各平行平板的相对位置满足如下条件：
经第三平行平板的下表面反射的光束，不会被第二平行平板遮挡，且经第二平行平板的下表面反射的光束入射至第一平行平板的上表面并反射后，能够完整入射至第三平行平板的第一表面；
以d1和d2分别表示第二平行平板和第三平行平板的厚度，以h1表示第一平行平板与第二平行平板间距，以h1表示第二平行平板与第三平行平板间距，以θ′表示折射角，则光束I1与I2的距离为：
光束I2与I3的距离为：
光束I3与I4的距离为：
l3＝l1
综上，本实施例可以通过改变平行平板厚度与间距，实现各级出射光间距可调；
本实施例还包括夹具，用于固定各平行平板以及调节平行平板的间距。
此外，当入射激光束沿平行于各平行平板的传播方向为从左至右时，装置结构与图1所示装置结构左右对称，分束过程与上述过程相同，在此将不再重复描述。
通过设置平行平板的数量，可以实现任意1*2n分束，其中每一出射光束均经过平行平板总计反射与折射n次，出射能量为输入激光能量的
实施例2：
一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置，如图3所示，包括：相互平行且依次设置的第一平行平板、第二平行平板、第三平行平板；沿第一平行平板至第N平行平板的方向，各平行平板的两个面依次为第一表面和第二表面；沿入射激光束平行于各平行平板的传播方向，各平行平板的两端依次为第一端和第二端；工作时，入射激光束经第一平行平板的第二表面入射；如图2所示，由于第一平行平板至第三平行平板从下至上依次设置，且入射激光束沿平行于各平行平板的传播方向为从右至左，各平行平板的第一表面和第二表面分别为下表面和上表面，且第一端和第二端分别为右端和左端；
第一平行平板的上表面镀有100％反射膜，第二平行平板和第三平行平板的上表面均镀有50％反射膜，且第二平行平板和第三平行平板的下表面均镀有全透膜；第二平行平板至第三平行平板的左端呈阶梯式排列；
第二平行平板用于将入射至其下表面的每一个光束分为等能量的两个光束，分别经其下表面和上表面出射；第三平行平板用于将入射至其下表面的每一个光束分为等能量的两个光束，分别经其下表面和上表面出射；
经第二平行平板下表面出射的光束入射至第一平行平板的上表面，经反射后入射至第三平行平板的下表面；经第二平行平板上表面出射的光束直接入射至第三平行平板的下表面；
经第三平行平板下表面出射的两个光束经第一平行平板的上表面反射后，与经第三平行平板上表面出射的两个光束共同构成入射激光束经分束后得到的4个光束；
如图3所示，当入射激光束I0以θ角入射到第一平行平板上表面时，经第一平行平板上表面全反射后，反射光束入射至第二平行平板的下表面；透过第二平行平板的下表面，并经第二平行平板上表面的反射与折射后，形成两束能量相等的子光束，其中一束从第二平行平板的下表面出射后入射至第一平行平板的上表面，通过第一平行平板上表面反射后再入射到第三平行平板的下表面，另一束从第二平行平板的上表面出射后直接入射到第三平行平板的下表面；入射至第三平行平板下表面的两个光束，透过第三平行平板的下表面，并经过第三平行平板上表面的反射与折射后，每个光束分别形成两束能量相等的子光束，共形成四个能量相等的子光束，其中两个光束(I1和I2)经第三平行平板的上表面出射后，直接输出，另外两个光束(I3和I4)从第三平行平板的下表面出射后入射到第一平行平板的上表面，全反射后输出；最终，输出的四个光束I1、I2、I3和I4即为入射激光束I0经分束而成的四个能量相等的光束；由于平行平板相互平行放置，最终输出的四个光束I1、I2、I3和I4也相互平行。
为了保证光束分束的均匀性，如图4所示，本实施例中，各平行平板的相对位置满足如下条件：
经第三平行平板的上表面反射的光束，不会被第二平行平板遮挡，且经二平行平板的上表面反射的光束能够完整从第二平行平板的下表面出射。
以d1和d2分别表示第二平行平板和第三平行平板的厚度，以h1表示第一平行平板与第二平行平板间距，以h1表示第二平行平板与第三平行平板间距，以θ′表示折射角，则光束I1与I2的距离为：
光束I2与I3的距离为：
光束I3与I4的距离为：
l3＝l1
综上，本实施例可以通过改变平行平板厚度与间距，实现各级出射光间距可调；
本实施例还包括夹具，用于固定各平行平板以及调节平行平板的间距。
此外，当入射激光束沿平行于各平行平板的传播方向为从左至右时，装置结构与图3所示装置结构左右对称，分束过程与上述过程相同，在此将不再重复描述。
通过设置平行平板的数量，可以实现任意1*2n分束，其中每一出射光束均经过平行平板总计反射与折射n次，出射能量为输入激光能量的
实施例3：
一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置，本实施例与上述实施例1类似，包括：第一平行平板，上表面镀全反膜；第二平行平板下表面镀50％反射膜，上表面镀全透膜，板厚1.3mm，长度限制在3.6～5.2mm；第三平行平板下表面镀50％反射膜，上表面镀全透膜，板厚1.3mm，长度限制在87～120mm；夹具，控制第一平行平板与第二平行平板间距为2.2mm，第二平行平板与第三平行平板间距1.2mm。
入射激光束的光斑直径D为1mm，入射角θ为45°，入射激光束通过第一平行平板与第二平行平板分束为两束能量为入射光50％的子光束，两束子光束通过第三平行平板与第一平行平板间将两束子光束进而分束为四束能量为入射25％的出射光束，光束间距为3.5mm。
实施例4：
一种基于平行平板的等能量激光平行分束装置，本实施例与上述实施例2类似，包括：第一平行平板，上表面镀全反膜；第二平行平板上表面镀50％反射膜，下表面镀全透膜，板厚1.3mm，长度限制在4.3～6.6mm；第三平行平板上表面镀50％反射膜，下表面镀全透膜，板厚1.3mm，长度限制在10.9～13.5mm；夹具，控制第一平行平板与第二平行平板间距为2.2mm，第二平行平板与第三平行平板间距1.2mm。
入射激光束的光斑直径D为1mm，入射角为45°，入射激光束通过第一平行平板与第二平行平板分束为两束能量为入射光50％的子光束，两束子光束通过第三平行平板与第一平行平板间将两束子光束进而分束为四束能量为入射25％的出射光束，光束间距为3.5mm。
实施例5：
一种分束方法，该分束方法利用上述任一实施例所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置进行分束，具体包括：
根据分束级数M确定平行平板的数量为N＝log2M+1，并根据分束后各级输出光束间的间距要求以及入射角度θ，设定各平行平板的厚度以及平行平板的间距；
将入射激光束以入射角度θ入射至第一平行平板的第二表面，使得入射激光束被基于平行平板的等能量激光平行分束装置分束为M个相互平行且等能量的光束；
其中，M＝2n，n为大于等于1的整数。
实施例6：
一种激光加工系统，包括上述任一实施例所提供的基于平行平板的等能量激光平行分束装置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
