一种离轴反射自由曲面激光整形系统

摘要

本发明公开了一种离轴反射自由曲面激光整形系统，属于激光束整形的技术领域。本发明所述的离轴反射整形系统设计首先对光束的截面轮廓按等能量划分为M×N个网格，目标面按等面积划分为M×N个网格，光源出射的所有采样光线到目标面满足等光程要求，根据输入输出之间的映射关系，建立自由曲面上相邻两个采样点之间的迭代关系；使用这种方法可以设计离轴多反激光整形系统，具有效率高，均匀性好，输出光束为准直光束，可以同时控制扩束率。

权利要求

1.一种离轴反射自由曲面激光整形系统的设计方法，其特征在于，所述的离轴反射自由曲面激光整形系统包括两个自由曲面反射镜；其中，两个自由曲面反射镜之间是离轴关系，不能共轴；

具体的设计过程包括：主要包括：

(1)等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面；

(2)基于划分网格点和初始条件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜；具体包括如下步骤：

①确定初始条件：

入射光束为矩形口径的准直光束，目标面形状为矩形，入射光束的截面为光束束腰所在位置，是预先给定的，目标面的大小和位置也是预先给定作为初始条件；根据入射光束截面和目标面上网格点可以全部计算出来作为初始条件，确定自由曲面反射镜P和M上的第一个点P11(x′11,y′11,z′11)和M11(x″11,y″11,z″11)这里称为初始点，P11(x′11,y′11,z′11)位于从S11(x11,y11,z11)点出射的光线上，M11与T11与在同一水平线上；

②计算每个自由曲面上的第一条曲线：

从入射光束截面S上初始点S11(x11,y11,z11)出射的光线经过反射镜P和M上初始点P11和M11反射后入射到目标面T上初始点T11；光线S11P11经过P11点反射后，出射光线为P11M11，这样可以得到入射光线S11P11和出射光线P11M11的光线矢量如式(1)；

Int＝(x′11‑x 11)i+(y′11‑y 11)j+(z′11‑z 11)kOut11＝(x″11‑x′11)i+(y″11‑y′11)j+(z″11‑z′11)k  (1)根据反射定律的矢量形式(2)，可以计算出通过反射镜P上的P11点法向矢量N11利用相同的方法，根据入射在M11光线P11M11和经过M11反射后出射的光线P11T11可以计算出通过点M11的法向矢量N′11；

当计算出来过P11点法向矢量N11，可以求出过P11点的切平面，根据这些已知条件来计算反射面P上第二点P12；从光束截面上点S12处出射光线与过P11点处切平面相交，交点就是反射面P上第二点P12；接下来再求过M面上的第二个点M12；因为控制了出射光束为平面波前即出射光束垂直于目标面，而入射光束也为平面波前，所以从入射光束截面上出射光束到目标面上，光程是相等的，式(3)给出了第一条光线与第二条光线光程相等的条件，其中[]表示光程；

[S11P11]+[P11M11]+[M11T11]＝[S12P12]+[P12M12]+[M12T12]  (3)对第2条光线，当点P12计算出来之后[S12P12]已经知道，因为出射光束为平面波所以M12和T12有相同的纵坐标这样根据式(3)就可以求出横坐标了；不断重复上述过程，可以求得自由曲面反射镜P上的第1条曲线，称为种子曲线，同样也可以求得反射镜M上的第1条曲线；

③计算整个自由曲面上所有采样点

在确定种子曲线1之后，返回初始点计算自由曲面上的下一条曲线，过P11点处切平面与从点S21发射出的光线r21交点为曲线2上的第一点P21；确定点P21后根据等光程原理和准直出射条件可计算出反射面上点M21，重复上述过程可计算出反射镜P和M上的第二条曲线；继续重复上述过程，可以从曲线2计算出曲线3上的采样点；这样扩展下去可以计算出反射面P和M上所有数据点。

2.权利要求1的设计方法得到的离轴反射自由曲面激光整形系统。

3.包括权利要求2所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光加工装置。

4.包括权利要求2所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的3D打印机。

5.包括权利要求2所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的液晶面板退火装置。

6.包括权利要求2所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光照明系统。

7.包括权利要求2所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光泵浦系统。

8.包括权利要求7所述的激光泵浦系统的固态激光器或光纤激光器的泵浦源。

说明书

一种离轴反射自由曲面激光整形系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种离轴反射自由曲面激光整形系统，属于激光整形领域。

背景技术

[0002] 当前，激光作为一种高亮度的光源，已经被广泛应用于激光加工、3D打印、液晶面板退火、激光照明等等。然而激光的光强分布一般呈高斯分布，对上述提到的使用场景具有
重要的限制，因此对通过设计合理的整形系统，使激光的光强分布从高斯分布转化为均匀
分布，具有非常重要的意义。

[0003] 常用的激光整形方法有液晶空间光调制器【采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形[J].光学学报,2001,21(9)：1107‑1111.】、非球面透镜组【范增明,李卓,钱丽
勋.非球面透镜组激光光束整形系统[J].红外与激光工程,2012,41(2):353‑357.】、微透镜
阵列【张巍,梁传样,李金,芮大为.用于激光数字投影显示系统的匀光整形元件设计[J].光
学学报,2015(08):44‑49.】、二元光学元件法【孟英利.用于激光光束整形的二元光学元件
的设计[D].大连：大连理工大学，2009】、以及光学自由曲面【彭亚蒙,苏宙平.用于发散激光
光束整形的自由曲面透镜设计[J].光学学报,2016,36(5):0522003.】等方法。这些整形的
系统都是同轴的透射系统。液晶空间光调制器做整形系统，光效率比较低，使用微透镜阵列
对激光整形容易产生干涉效应。用二元光学元件进行整形，效率也不高，而且无法承受高功
率激光，非球面透镜是旋转对称结构，无法产生非旋转对称的光斑如矩形光斑。而且这些系
统都是同轴透射系统，光路无法进行转折，没法形成紧凑的结构。使用离轴反射自由曲面系
统可以是光路转折形成紧凑的结构，反射系统无色散对各种波长都适应，而且光效率比较
高，这种系统可以控制输出光辐照度均匀度，可以控制输出光束为准直光束，可以控制输出
光束的扩束率，这些对激光加工、3D打印、液晶面板退火、激光照明，泵浦固态激光或光纤激
光具有非常重要的意义。

[0004] 现有的算法需要商用光学软件进行优化。商用软件在优化的过程中，本质上是一种试错法，优化过程中每改变一组面形数据，就要追迹一次光线，计算辐照度分布数据，如
果辐照度的均匀度比上一组好就会舍弃上一组面形数据，使用这组最新的面形数据，如果
这组面形数据产生的辐照度均匀性不如上一组面形数据，那就保留上组面形数据，然后继
续重复这个过程，直到均匀度满足了目标要求。每优化1次，都要追迹50‑100万条光线，运算
量非常大，如果初始面形偏离最终面形比较远，这种优化过程还容易陷入局部最小值，如果
在约束条件中再加上输出波前和扩束率这些约束条件，那优化更难了。

发明内容

[0005] 为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种离轴反射自由曲面激光整形系统，不仅可以实现输出激光在目标面辐照度均匀分布，而且还可以控制输出激光束的波前，
使出射光束为准直光束，准直的光束进行激光加工时候，与目标面的距离有很大的调节公
差。此外，使用离轴双反射自由曲面系统除了可以控制出射光束的均匀性，波前还可以控制
扩束率，即输出光束与输入光束口径之比。

[0006] 本发明的方法不是对面形进行优化，而是根据能量映射关系，输入输出波前之间的关系，直接计算出两个自由曲面上的采样点，然后将这些数据点导入结构设计软件，得到
两个自由曲面。然后在光学仿真软件验证一下设计结果。只需要在验证设计结果的时候追
迹一次光线，不需要做任何优化，输出光束在目标面上产生了均匀的辐照度分布，而且输出
光束为准直光束，扩束率达到了预定的数值。

[0007] 本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统，可以实现光路转向，使系统结构变得紧凑，这种整形系统除了实现输出光束变为光强均匀分布的光束，还可以控制输出的
光束为准直光束和扩束的倍率，这种系统可以确保系统在工业应用范围更广。

[0008] 本发明的第一个目的是提供一种离轴反射自由曲面激光整形系统，包括两个自由曲面反射镜；其中，两个自由曲面反射镜之间是离轴关系，不能共轴；第一个自由曲面反射
镜(反射镜P)和第二个自由曲面反射镜(反射镜M)保持离轴的关系，即反射镜P和M在竖直方
向上不能相互遮拦；在水平方向上反射镜P在M的右侧。

[0009] 在一种实施方式中，还包括入射激光光束截面和接收目标面；

[0010] 在一种实施方式中，入射光束的截面位置和目标面位置是根据预留给激光整形系统的尺寸来确定的，目标面大小是由待加工的工件表面大小来决定的，反射镜P的通光口径
大小与入射光束的通光口径大小相等，反射镜P的通光口径大小与入射光束的通光口径大
小相等，反射镜M的通光口径与出射光束的口径大小相等。反射镜P上的第1点P11位置位于入
射光束截面上第1点出射的光线路径上，该点与截面上第1点之间的距离没有严格限制，主
要是根据整个系统预留的空间。反射镜上的第一点M11位于从目标面上第一点的反向延长线
上，反向延长线与目标面垂直。点M11与目标面上第1点T11之间的距离没有严格限制，主要是
根据整个系统预留的空间。

[0011] 本发明的第二个目的是提供一种本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的设计方法。

[0012] 在一种实施方式中，所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的设计方法，主要包括：(1)等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面；(2)基于划分网格点和初始条
件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜。

[0013] 在一种实施方式中，所述的等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面的操作步骤具体如下：

[0014] 将入射截面S分成M×N个网格，每个网格拥有相等的能量，将目标面T分成M×N个网格，每个网格按等面积分割。当网格划分完成后，入射光束截面和目标面上每个网格点的
坐标和的坐标均匀已知量，作为计算两个自由曲面反射镜的初始条件，入射截面上的每个
网格点出射一条光线，这些光线都是相互平行的作为采样光线。

[0015] 在一种实施方式中，所述的基于划分网格点和初始条件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜的操作步骤如下：

[0016] (1)设置约束条件和初始条件：(a)输入光束和输出光束之间满足预定的能量映射关系；(b)入射光束截面到目标面上所有光线都满足光程相等的条件；

[0017] (2)基于这两个约束条件和初始条件，可以获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系，从而计算整个自由曲面上所有采样点。

[0018] 在一种实施方式中，所述的步骤(1)为：

[0019] 入射光束为矩形口径或正方形的准直光束，目标面形状为矩形或正方形，入射光束的截面为光束束腰所在位置，是预先给定的，目标面的大小和位置也是预先给定作为初
始条件；入射光束截面和目标面上网格点可以全部计算出来作为初始条件。

[0020] 从输入截面上第一点出射的第一条采样光线经过反射镜P和M的第一点分别反射后入射到目标面上的第一点。从输入截面上第一点出射的第一条采样光线经过反射镜P的
第一点反射后打到了第二个反射镜M上的第一点。对于第一反射镜上的第1点入射光线矢量
和出射光线矢量都知道了，可以求出第一个反射镜过第1点的法向矢量，根据法向矢量可以
求得第一个反射镜过第1点的切平面，从光源面第2个点出射的光线与过第一个反射镜过第
1点的切平面交点就是第二个点。第二个反射镜上面的第2点的纵坐标与目标面上对应第2
点的综坐标相同，根据等光程条件可以求出第二个反射镜上面的第2点的横坐标。不断重复
上述过程可以求出第一个反射镜上面的第一条曲线称为种子曲线，也可以求出第二个反射
镜上上面的第一条曲线称为种子曲线，使用种子曲线扩展的方法可以计算出每个反射镜上
面所有其它采样点。

[0021] 在一种实施方式中，所述的步骤(1)具体为：

[0022] 事先要确定自由曲面反射镜P和M上的第一点坐标，P11(x′11,y′11,z′11)和M11(x″11,y″11,z″11)这里称为初始点，(其中，x′11,y′11,z′11是P11点的坐标，x″11,y″11,z″11是点M11的坐
标，S11为第一条曲线上的第一个点)，P11(x′11,y′11,z′11)位于从S11(x11,y11,z11)点出射的光
线上，S11与P11在水平方向的距离没有严格要求，根据系统的尺寸来定；M11与T11与在同一水
平线上，相互之间的距离没有严格要求，根据系统的尺寸来定P11和M11的选择要遵循自由曲
面反射镜P和M的分布要求。

[0023] 从入射光束截面S上初始点S11(x11,y11,z11)出射的光线经过反射镜P和M上初始点P11(x′11,y′11,z′11)和M11(x″11,y″11,z″11)反射后入射到目标面T上初始点T11；光线S11P11经
过P11点反射后，出射光线为P11M11，这样可以得到入射光线S11P11和出射光线P11M11的光线矢
量如式(1)所示：

[0024]

[0025] 其中，Int为入射光线矢量，Out11为出射光线矢量。

[0026] 根据反射定律的矢量形式(2)，可以计算出通过反射镜P上的P11点法向矢量N11；

[0027]

[0028] 利用相同的方法，根据入射在M11光线P11M11和经过M11反射后出射的光线P11T11可以计算出通过点M11的法向矢量N'11。

[0029] 当计算出来过P11点法向矢量N11，可以求出过P11点的切平面，根据这些已知条件来计算反射面P上第二点P12(P12为第一条曲线上的第二个点)；从光束截面上点S12处出射光线
与过P11点处切平面相交，交点就是反射面P上第二点P12；接下来再求过M面上的第二个点
M12；因为控制了出射光束为平面波前即出射光束垂直于目标面，而入射光束也为平面波前，
所以从入射光束截面上出射光束到目标面上，各条光线光程是相等的，式(3)给出了第一条
光线与第二条光线光程相等的条件，其中[]表示光程；

[0030] [S11P11]+[P11M11]+[M11T11]＝[S12P12]+[P12M12]+[M12T12]      (3)

[0031] 对第2条光线，当点P12计算出来之后[S12P12]已经知道，因为出射光束为平面波所以M12和T12有相同的纵坐标这样根据式(3)就可以求出M12点的横坐标了；不断重复上述过
程，可以得第1自由曲面反射镜P上的第1条曲线，这条曲线可以称为种子曲线，同样也可以
求得反射镜M上的第1条曲线。

[0032] 在一种实施方式中，所述的步骤(2)为：

[0033] 在确定种子曲线1之后，返回初始点计算自由曲面上的曲线2，继续重复上述过程，可以从曲线2计算出曲线3上的采样点；这样扩展下去可以计算出反射面P和M上所有数据点
所有数据点，即可以得到反射的具体数据。

[0034] 在一种实施方式中，所述的步骤(2)具体为：

[0035] 在确定种子曲线1之后，返回初始点计算自由曲面上的下一条曲线，过P11点处切平面与从点S21(S12为第二条曲线上的第一个点)发射出的光线r21交点为曲线2上的第一点P21；
确定点P21后根据等光程原理和准直出射条件可计算出反射面上点M21，重复上述过程可计
算出反射镜P和M上的第二条曲线；继续重复上述过程，可以从曲线2计算出曲线3上的采样
点。这样扩展下去可以计算出反射面P和M上所有数据点；即可以得到所述的反射面P和M。

[0036] 本发明的第三个目的是包括本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光加工装置。

[0037] 在一种实施方式中，除了本发明所述的激光整形系统，还包括激光光源、待加工工件、工件控制台。

[0038] 本发明的第四个目的是包括本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的3D打印机。

[0039] 在一种实施方式中，除了本发明所述的激光整形系统，还包括电源系统、控制系统、驱动系统。

[0040] 本发明的第五个目的是包括本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的液晶面板退火装置。

[0041] 在一种实施方式中，除了本发明所述的激光整形系统，还包括激光光源、液晶面板、液晶面板移动控制台。

[0042] 本发明的第六个目的是包括本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光照明系统。

[0043] 在一种实施方式中，除了本发明所述的激光整形系统，还包括激光光源。

[0044] 本发明的第七个目的是包括本发明所述的离轴反射自由曲面激光整形系统的激光泵浦系统，可以作为固态激光器或光纤激光器的泵浦源。

[0045] 本发明的有益效果：

[0046] (1)本发明的离轴双反自由曲面激光整形系统，结构紧凑，不仅可以使输出光束辐照度分布变均匀，而且可以控制输出光束为准直光束，同时还可以控制扩束率，即输出光束
与输入光束的口径比。

[0047] (2)基于本发明设计了两个整形系统，将16mm×16mm的方形高斯束分别整形为80mm×80mm的方形均匀光斑和120mm×20mm的矩形均匀光斑，并使出射光束为准直光束。方
形光斑均匀度为90.74％，光束扩束率为5，矩形光斑均匀度为94.75％，水平方向扩束率为
7.5倍，竖直方向扩束率为1.25倍，这两个系统的光效率均达到了近90％。这说明本发明对
激光束进行整形可以产生均匀的辐照度分布，产生的光斑可以为矩形或正方形，输出的光
束为准直光束，系统的光效率非常高，扩束的倍率可以进行调节，这些优点可以应用于激光
加工、3D打印、激光泵浦、液晶面板退火等等。

附图说明

[0048] 图1为离轴双反激光整形系统原理图。

[0049] 图2为入射光束截面与目标面网格划分；(a)入射光束等能量网格划分；(b)目标面等面积网格划分。

[0050] 图3为入射光束在S面上X方向截面辐照分布图。

[0051] 图4为入射光束在S面上Y方向截面辐照分布图。

[0052] 图5为两个自由曲面上采样点计算示意图。

[0053] 图6为反射面P上数据点的计算；(a)相邻曲线上数据点的计算；(b)反射面上所有数据点的计算。

[0054] 图7为准直激光光束整形结构图。

[0055] 图8为辐射照度图；(a)入射激光辐射照度分布图；(b)目标面辐射照度分布图。

[0056] 图9为长条形光束整形；(a)光束整形结构图；(b)目标米辐射照度分布图。

[0057] 图10为实施例1的出射光束在激光加工中的应用示意图。

[0058] 图11为现有整形技术的出射光束在激光加工中的应用示意图。

[0059] 图12为实施例1的反射整形系统示意图。

[0060] 图13为现有的透射整形系统示意图。

具体实施方式

[0061] 以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

[0062] 实施例1

[0063] 具体实施如图1所示，面S为入射激光束的截面，截面上光辐照度分布为高斯分布,T面为目标面，P和M为两个反射镜，这两个反射镜的面形为自由曲面。因此P和M构成了一个
离轴反射的自由曲面系统。激光整形系统的设计原理为：将入射截面S分成M×N个网格，每
个网格拥有相等的能量，将目标面T分成M×N个网格，每个网格按等面积分割。通过，设计P
和M构成的离轴自由曲面反射系统，控制通过S面网格的每个子光束，经过P和M反射后入射
到目标面T上对应的网格里面。由于每个子光束具有相等的能量，目标面每个网格具有相等
的面积，这样整个光束经过整形系统入射到目标面就会产生均匀的辐照度分布。接下来主
要讨论如何设计P和M这两个自由曲面反射镜。

[0064] 该系统的设计方法分为两步：1.等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面；2.基于划分网格点和初始条件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜。

[0065] 1.等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面；

[0066] 根据上述激光整形系统的工作原理，入射光束截面上网格的能量要入射到目标面上对应网格如图2所示。图2(a)入射光束截面的网格划分M×N份，确保每个网格有相等的能
量，因为截面上水平和垂直两个方向辐照度分布为高斯分布如图3和4，因此中心区域的网
格面积小，而边缘区域的网格面积大；对于目标面图2(b)直接按等面积划分M×N网格,对入
射光束截面和目标面网格划分可以参考文献：【用于发散激光光束整形的自由曲面透镜设
计；光学学报36卷5期(pp：522003‑‑1】。当网格划分完成后，入射光束截面和目标面上每个
网格点的坐标Sij和Tij的坐标均匀已知量，作为计算两个自由曲面反射镜的初始条件。

[0067] 2.基于划分网格点和初始条件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜

[0068] 两个自由曲面的设计过程，如图5所示，这个设计过程分为3个步骤：

[0069] (1)确定初始条件：

[0070] 入射光束为矩形口径的准直光束，目标面形状为矩形，入射光束的截面为光束束腰所在位置，是预先给定的，目标面的大小和位置也是预先给定作为初始条件。根据入射光
束截面和目标面上网格点可以全部计算出来作为初始条件。如图5所示，确定自由曲面反射
镜P和M上的第一个点P11(x′11,y′11,z′11)和M11(x″11,y″11,z″11)这里称为初始点，P11(x′11,
y′11,z′11)位于从S11(x11,y11,z11)点出射的光线上，S11与P11在水平方向的距离没有严格要
求，根据系统的尺寸来定。M11与T11与在同一水平线上，相互之间的距离没有严格要求，根据
系统的尺寸来定。

[0071] (2)计算每个自由曲面上的第一条曲线：

[0072] 从入射光束截面S上初始点S11(x11,y11,z11)出射的光线经过反射镜P和M上初始点P11和M11反射后入射到目标面T上初始点T11。光线S11P11经过P11点反射后，出射光线为P11M11，
这样可以得到入射光线S11P11和出射光线P11M11的光线矢量如式(1)。

[0073] Int＝(x′11‑X11)i+(y′11‑Y11)j+(z′11‑Z11)k

[0074] Out11＝(x″11‑x′11)i+(y″11‑y′11)j+(z″11‑z′11)k    (1)

[0075] 根据反射定律的矢量形式(2)，可以计算出通过反射镜P上的P11点法向矢量N11

[0076]

[0077] 利用相同的方法，根据入射在M11光线P11M11和经过M11反射后出射的光线P11T11可以计算出通过点M11的法向矢量N′11。

[0078] 当计算出来过P11点法向矢量N11，可以求出过P11点的切平面，根据这些已知条件来计算反射面P上第二点P12。从光束截面上点S12处出射光线与过P11点处切平面相交，交点就
是反射面P上第二点P12。接下来再求过M面上的第二个点M12。因为控制了出射光束为平面波
前即出射光束垂直于目标面，而入射光束也为平面波前，所以从入射光束截面上出射光束
到目标面上，光程是相等的，式(3)给出了第一条光线与第二条光线光程相等的条件，其中
[]表示光程。

[0079] [S11P11]+[P11M11]+[M11T11]＝[S12P12]+[P12M12]+[M12T12]   (3)

[0080] 对第2条光线，当点P12计算出来之后[S12P12]已经知道，因为出射光束为平面波所以M12和T12有相同的纵坐标这样根据式(3)就可以求出横坐标了。不断重复上述过程，可以
求得第自由曲面反射镜P上的第1条曲线，如图6(a)中的曲线1，这条曲线可以称为种子曲
线，同样也可以求得反射镜M上的第1条曲线。

[0081] (3)计算整个自由曲面上所有采样点

[0082] 在确定种子曲线1之后，返回初始点计算自由曲面上的下一条曲线，如图5所示。过P11点处切平面与从点S21发射出的光线r21交点为曲线2上的第一点P21。确定点P21后根据等
光程原理和准直出射条件可计算出反射面上点M21，重复上述过程可计算出反射镜P和M上的
第二条曲线。继续重复上述过程，可以从曲线2计算出曲线3上的采样点。这样扩展下去可以
计算出反射面P和M上所有数据点。

[0083] 设计实例验证

[0084] 目标面照度均匀度的测试方法：为了定量比较输入光束和输出光束辐照度的均匀度的变化，定义了激光辐照度分布的均匀度如下式所示。式中 为测试区域内辐射照度平均
值，Emax为测试区域内辐射照度最大值。

[0085]

[0086] 实施例2：采用实施例1的方法设计的整形系统

[0087] 输入光束为准直激光光束，光束为正方形口径，大小为8mm×8mm，照射目标面为80mm×80mm，网格划分数为161×161。按照上述方法设计的整形系统如图7，辐射照度如图8
所示：目标面照度均匀度达到了91％，其中，均匀度为目标面上平均照度值与最大照度值之
比。

[0088] 实施例3：采用实施例1的方法设计的整形系统

[0089] 将方形口径激光束(截面光强分布为高斯分布)整形成为均匀分布长条形光斑。将方形均匀光斑整形系统中的目标面大小更改为120mm×20mm，其余参数保持不变。使用上述
方法设计的系统如图9(a)所示，目标面上的照度分布如图9(b)所示。由仿真结果可知，所设
计的反射式整形系统能有效的将高斯分布的矩形孔径激光光束整形为长条形光束，输出光
斑大小为120mm×20mm，目标面辐射照度均匀度为94.57％。

[0090] 实施例4：实施例1的系统在激光加工中的应用

[0091] 将实施例1的系统用于激光加工中。

[0092] 从图10可以看出，实施例1出射的光束为准直光束，加工工件前后移动影响不大，在出射光束的任意一个截面上激光辐照度分布都是均匀的。而现有的一些整形方法，出射
光束为非准直光束(图11所示)，只是在特定面上产生均匀的照度分布，因此工件无法前后
移动，这给激光加工带来了很大的限制。

[0093] 实施例1的离轴反射自由曲面整形系统和现有透射系统的对比：

[0094] 实施例1中反射式系统与现有的透射系统整形相比较有明显优势，如图12所示为了控制输出光束大小，对于反射系统需要控制两个反射镜之间的距离，输出光束口径越大
这个距离越大，然而对于透射系统图13，为了控制输出光束的大小，需要调节透镜的厚度，
如果需要输出光束口径比较大，这样透镜的厚度就要做得非常厚，不仅加工带来难度，而且
浪费材料。

[0095] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范
围应该以权利要求书所界定的为准。