柱面微透镜用于激光匀化正方形光斑

在激光加工领域中，普遍需要得到能量均匀分布的正方形的匀化光斑。针对这一类激光匀化需求，我司推出过双微透镜阵列的匀化方案。该方案使用的是两片子单元为正方形的微透镜阵列，该方案中的光路调试过程中，两片微透镜阵列的子单元要求对准，对调试的精度要求稍微偏高。现我司推出使用两片柱面微透镜得到正方形匀化光斑的方案，降低了对调试的精度要求。本文针对后者匀化方案作了简要介绍。

常见的双微透镜匀化光路，如下图所示：

激光光源经过扩束准直后，准直入射到第一面微透镜阵列上，微透镜阵列上的每个子单元是一个个阵列排布的微小的聚焦透镜，光束经过的众多子单元的分割并重新聚焦，形成了阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束，看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加，基于阵列排布的对称性，也即出射小光束的对称性，小光束的不均匀性相互抵消，最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。最终光斑的计算公式如下：

D_FT= p_LA•f_FL/ f_LA2

 

原理相近的，使用两片相同的柱面微透镜，柱列的pitch值对应上式的p_LA，柱面微透镜的焦距对应上式的f_LA2。根据所需的正方形匀化光斑的边长及工作距离，即可算出对应的柱面微透镜的p/f值，最终选择合适的柱面微透镜。

调试过程中，需要主要的事项主要有光源质量M²、对准、光路放置、入射光准直问题。

光源的质量M²只要大于5一般都适用于该平顶光整形光路。该激光匀化光路是将准直入射的光，重新细分成规则排布的细小光束，对称展开实现激光能量在光斑区域的均匀分布。其均匀性，根据实验条件不同，可以达到70~80%。理论上，口径P越小，其匀化效果越好。但小口径，同时会带来衍射的干扰的影响，导致终端的匀化效果反而不理想。一般我们建议适用口径尽可能大于300μm。如果激光的光源的想干性没那么强的，也可以适当小些。需要注意的是，匀化光斑的四方微弱的衍射属于正常情况，可以同过提高精度和面型光洁度改善，但是对应的成本过高，性价比不高。

相应的，如果相干性强的，则需要更大的口径，大于500μm。

正交对准——主要是两片相同的柱面微透镜之间柱列成90°正交对准，这也是使用两片柱面微透镜匀化正方形光斑的主要优点。相对于两片正方形子单元微透镜阵列的匀化方案的对准：需要将两片微透镜阵列的子单元也要对准，这就需要不断地微调两片微透镜阵列的相对位置；而使用两片柱面微透镜的匀化，只需要将两片柱面微透镜之间柱列成90°正交对准，大大降低了调节难度。

光路放置问题——首先是柱面微透镜匀化的放置。两片柱面微透镜是凸面对外，平面相对的。两者之间的距离即焦距的长度，可以稍微长一些。聚焦镜的位置，没有严格的要求，可以等光路放置好后调整其前后距离对平顶光整形光斑的大小和效果做微调。也可以微调两个微透镜阵列之间的距离微调。

入射光的准直——柱面微透镜匀化方案的入射光的准直性越好，出射的效果越佳。

目前，使用两片柱面微透镜的匀化方案只适用于得到正方形的匀化光斑，若想得到长方形的匀化光斑，仍需要使用两片子单元为长方形的微透镜阵列来调节光路。