1.本技术涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光整形装置。
背景技术：
2.随着激光柔性加工的发展，能量光纤由于具有柔性传输和整形的作用，已经在激光加工领域得到了广泛的应用。
3.现有高光束质量的基模激光束通常采用doe(diffractive optical element，衍射光学元件)进行光束整形，但针对少模或多模激光束的doe设计将非常困难，同时少模或多模激光束的光束指标一致性控制较为困难，因此少模或多模激光经常采用匀化光纤进行光束匀化整形。
4.空间光束耦合进入光纤进行光束传输对激光器的指向性具有较高的要求，通常需要采用较为苛刻的环境温度控制方式使激光器的指向性更加稳定，或者在光路设计的时候留下指向性余量，否则会导致激光的指向性变化而引起耦合效率的衰减或者造成光纤损伤。目前现有技术中高指向性的激光器价格高，光路预留指向性余量的方案兼容性及稳定性差。此外，现有技术通常使用同一芯径光纤进行光纤耦合传输和整形，难以灵活实现损伤阈值高、匀化效果好和bpp灵活可控等效果，同时通常缺少指向性反馈调节、可变扩束耦合和光纤扰模匀化控制等主动式调节系统。
5.专利cn108267819a公开了一种提高高功率脉冲激光光纤耦合效率的方法，包括如下步骤：第一步：光纤选择。第二步：光纤拉锥。第三步：光纤连接。第四步：透镜耦合。本发明采用大芯径光纤作为空间激光的受体；激光通过大芯径光纤后，相比于激光空间直接耦合的方式，其激光空间能量分布得到匀化，在耦合进入小芯径光纤时可有效降低端面损耗，高耦合阈值；大、小芯径光纤通过光纤连接器进行连接，能够便捷地实现对准。该专利公开了在大芯径光纤与小芯径光纤之间设置光纤连接器，用于连接大芯径光纤与小芯径光纤，但是光纤连接器不具有增强光纤耦合系统的兼容性和稳定性的作用，因此该专利公开的光纤耦合方法对光束匀化和整形效果不佳。
6.专利cn102081200a公开了一种变光束质量激光束自适应光纤耦合与输出准直装置。激光束经过扩束准直，然后经过聚焦透镜耦合到光纤传输系统的前端面，并在光纤传输系统中传输，光纤传输系统出射的光束经过准直透镜进行准直。准直透镜反射少量的光被探测单元接收，探测单元将接收到的光信号转换成为电信号。处理单元对探测单元接收到的电信号进行累加求和。控制器根据处理单元获得的处理结果，通过折半查找的方式来控制一维微运动台沿轴向作一维运动，从而带动光学调整架及聚焦透镜运动，采用自动补偿的方式来解决变光束质量激光的耦合聚焦光斑漂移问题。该专利通过对准直后的光束进行采集，并对聚焦透镜位置进行调整，提高光束质量，但是该专利技术对少模或多模光束的整形、匀化和聚焦光斑的效果较差。
技术实现要素：
7.本技术的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
8.为此，本技术的第一个目的在于提出一种激光整形装置，避免激光的指向性变化和光束能量变化造成的光纤损伤；保持耦合系统的兼容性和稳定性，保证输出高质量的整形匀化光斑。
9.为实现上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种激光整形装置，包括沿激光光路依次设置的激光发生器、激光整形模块以及准直头，
10.其中，所述激光整形模块包括耦合单元、过渡光纤、模场适配单元以及整形传输光纤，其中，所述过渡光纤的芯径大于所述整形传输光纤的芯径，且所述过渡光纤的数值孔径小于所述整形传输光纤的数值孔径；
11.所述模场适配单元为光纤模场适配器mfa、可变耦合单元、光纤分束器中的一种。
12.可选的，所述过渡光纤的大芯径直径d大于射入所述过渡光纤的激光光束直径d0的1.5倍。
13.可选的，当所述模场适配单元为光纤分束器时，所述整形传输光纤和所述准直头为多个，且数量与分光后激光光束的数量相同。
14.可选的，所述可变耦合单元包括准直镜、扩束镜和第一耦合镜，所述准直镜、所述扩束镜和所述第一耦合镜沿激光光路依次设置。
15.可选的，所述可变耦合单元还包括第一分光镜、第一反射镜和第二耦合镜，所述整形传输光纤包括第一整形传输光纤和第二整形传输光纤，所述准直头包括第一准直头和第二准直头，
16.所述第一分光镜设置在所述扩束镜的光路下游，所述第一耦合镜的光路上游。
17.可选的，所述激光整形装置还包括扰模器和光斑检测模块，
18.所述扰模器设置在所述可变耦合单元的光路下游，所述整形传输光纤的光路上游；
19.所述光斑检测模块设置在所述准直头的光路下游。
20.可选的，所述光斑检测模块包括第二分光镜、第一聚焦镜和视觉模组，
21.所述视觉模组分别与所述扰模器和所述可变耦合单元的扩束镜相连。
22.可选的，所述激光整形装置还包括指向性补偿模组，
23.所述指向性补偿模组设置在所述激光发生器的光路下游，所述激光整形模块的上游。
24.可选的，所述指向性补偿模组包括补偿镜组、指向性检测组件和控制器，
25.所述控制器分别与所述补偿镜组所述指向性检测组件相连。
26.可选的，所述激光整形装置还包括光闸，
27.所述光闸设置在所述补偿镜组的下游，所述激光整形模块的上游，并与所述控制器电连接。
28.可选的，所述补偿镜组包括第二反射镜和第三分光镜，所述第二反射镜和所述第三分光镜平行设置，所述第三分光镜位于所述第二反射镜的加工光路下游。
29.可选的，所述第二反射镜为多维可调的器件，并与驱动器相连，所述驱动器为压电、磁致伸缩、电致伸缩中的一种，所述第三分光镜固定。
30.可选的，在所述补偿镜组和所述指向性检测组件之间的光路上设有第二聚焦镜。
31.本技术实施例的激光整形装置，通过激光整形模块增强光纤耦合系统的兼容性和稳定性，减少激光指向性对耦合效率的影响，同时降低指向性偏差造成光纤端面烧损的风险。
32.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
33.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对申请的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
34.图1是本技术实施例1的激光整形装置的结构示意图一；
35.图2是本技术实施例1的激光整形装置的结构示意图二；
36.图3是本技术实施例1的激光整形装置的结构示意图三；
37.图4是本技术实施例1的激光整形装置的结构示意图四；
38.图5是本技术实施例1的激光整形装置的结构示意图五；
39.图6是本技术实施例2的激光整形装置的结构示意图一；
40.图7是本技术实施例2的激光整形装置的结构示意图二；
41.图8是本技术实施例2的激光整形装置的结构示意图三；
42.图9是本技术实施例3的激光整形装置的结构示意图；
43.图10是本技术一个实施例的光耦合方法的流程图。
具体实施方式
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
45.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
46.下面参考附图描述本技术实施例的激光整形装置。
47.实施例1
48.如图1所示，激光整形装置包括沿激光光路依次设置的激光发生器100、激光整形模块200以及准直头300。激光整形模块200进一步包括耦合单元210、过渡光纤220、模场适配单元230以及整形传输光纤240，作为示例，耦合单元210、过渡光纤220、模场适配单元230以及整形传输光纤240依次连接。作为一种非限制的实施方式，耦合单元210为耦合镜。
49.作为示例，激光发生器100优选为激光模式是少模或多模的激光器。激光整形模块200用于对激光光束进行整形；准直头300用于对整形后的激光光束进行准直。作为示例，准直头300为聚焦镜组，对大数值孔径光束进行像差矫正补偿。
50.本实施例中激光发生器100发射的光束通过激光整形模块200和准直头300处理后可获得较好的光束匀化效果，尤其当激光发生器100发射质量较差的少模或多模的光束时，光束匀化效果更佳。
51.模场适配单元230用于增强光纤耦合系统的兼容性和稳定性。本实施例中，模场适
配单元230为模场适配器，用于过渡光纤220与整形传输光纤240的模场匹配，从而有效控制光束在光纤熔接点的功率损耗和模场损耗。
52.进一步的，本实施例中，模场适配单元230包括可变耦合单元232。可变耦合单元232用于对过渡光纤220和整形传输光纤240的模场进行匹配。
53.过渡光纤220用于减少激光指向性对耦合效率的影响，同时降低指向性偏差造成光纤端面烧损的风险。作为示例，过渡光纤220为大纤芯小数值孔径的光纤，具体来说，其中，过渡光纤220的芯径大于整形传输光纤240的芯径，且过渡光纤220的数值孔径小于整形传输光纤240的数值孔径。过渡光纤220的大芯径直径为d，射入过渡光纤220的激光光束直径为d0，两者的关系为d＞15d0。本实施例中，过渡光纤220为大模场光纤，具体的其可以为锥形光纤、光子晶体光纤、或者是双包层光纤中的一种。
54.整形传输光纤240用于光束匀化整形。整形传输光纤240为多模光纤，其纤芯为方形、矩形或圆形中的一种。作为示例，整形传输光纤240的输入、输出端采用端帽熔接结构从而有效降低端面的功率密度。
55.本实施例采用耦合单元、过渡光纤、模场适配单元、整形传输光纤和准直头的光学结构进行光束匀化整形，能够实现少模、多模光束的匀化整形。
56.本实施例采用耦合单元、过渡光纤、模场适配单元、整形传输光纤和准直头的光学结构进行光束匀化整形，能够实现对少模、多模光束的匀化整形；另外采用大芯径、小na和小芯径、大na的光纤过渡、整形熔接结构，既可以降低入射光纤端面的功率密度和指向性漂移的影响，又可以实现好的光束匀化效果。在太阳能电池激光加工领域中，可以实现平顶匀化光斑加工，在无损开膜、膜层改性和掺杂等精密加工领域获得理想加工效果。
57.进一步如图2所示，可变耦合单元232包括准直镜2321、扩束镜2322和第一耦合镜2323。准直镜2321、扩束镜2322和第一耦合镜2323沿激光光路依次设置。作为示例，扩束镜2322可以采用变倍扩束镜，通过改变扩束镜的参数改变输出光束的发散角，从而改变整形传输光纤240输出的bpp(beam parameter product，光束参数乘积)数值和匀化效果。
58.在该申请的另一个实施例中，如图3所示，可变耦合单元232还包括第一分光镜2324、第一反射镜2325和第二耦合镜2326。整形传输光纤240包括第一整形传输光纤241和第二整形传输光纤242；准直头300包括第一准直头310和第二准直头320。
59.第一分光镜2324设置在扩束镜2322的光路下游，第一耦合镜2323的光路上游；第一分光镜2324用于对经过扩束镜2322的激光光束进行分光处理，使得分光后的第一路激光光束依次经过第一耦合镜2323、第一整形传输光纤241和第一准直头310，分光后的第二路激光光束依次经过第一反射镜2325、第二耦合镜2326、第二整形传输光纤242和第二准直头320。本实施例中，第一分光镜2324的分光比为50:50。
60.通过设置第一分光镜把激光束分成两路，然后通过对应的耦合镜把激光束耦合进入不同的整形传输光纤，实现多光路的同时加工，提高加工效率。
61.在该申请的又一个实施例中，如图4所示，激光整形装置还包括扰模器400和光斑检测模块500。其中，扰模器400设置在可变耦合单元232的光路下游，整形传输光纤240的光路上游。光斑检测模块500设置在准直头300的光路下游，用于检测准直头300射出的激光光束的光斑质量，并将光斑质量反馈至扰模器400，进而通过控制调节扰模器400调整光斑质量。作为示例，扰模器400通过改变光纤的弯曲度改变光纤中不同模式的能量占比，从而改
变输出光束的能量匀化效果、传输损耗和输出的bpp值。
62.具体来说，光斑检测模块500包括第二分光镜510、第一聚焦镜520和视觉模组530。第二分光镜510设置在准直头300后的光路上，将光路分成加工光路和检测光路。加工光路用以加工。检测光路经过第一聚焦镜520照射至视觉模组530。视觉模组530采集光斑图像并且分析光斑质量。视觉模组530分别与扰模器400和可变耦合单元232的扩束镜2322相连，用于将检测到的光斑质量反馈至扰模器400。本实施例中，视觉模组530可包括ccd相机模组。
63.为了进一步免激光的指向性变化和光束能量变化造成的光纤损伤，在该申请的再一个实施例中，如图5所示，激光整形装置还包括指向性补偿模组600。指向性补偿模组600设置在激光发生器100的光路下游，激光整形模块200的上游。激光发生器100发出的激光经指向性补偿模组600后分为两束，一束为加工光束，用以进行加工；另一束进行同步的激光指向性检测。指向性补偿模组600用于检测激光光束的偏移量，并根据偏移量对激光光束进行调整。
64.具体来说，指向性补偿模组600包括补偿镜组610、指向性检测组件620和控制器630。
65.补偿镜组610将激光器发射的激光光束分为加工光路和检测光路；加工光路经过补偿镜组610射入耦合单元210；检测光路经过补偿镜组610射入指向性检测组件620，对光束的偏移量进行检测。作为示例，指向性检测组件620为ccd相机模组。控制器630分别与补偿镜组610指向性检测组件620相连，用于根据偏移量实时对补偿镜组610的角度进行调整，以实现对加工光路和检测光路的调整。
66.另外，补偿镜组610包括第三分光镜611和第二反射镜612，第三分光镜611和第二反射镜612平行设置，第二反射镜612位于第三分光镜611的加工光路下游。激光经第三分光镜611被分成加工光路和检测光路。作为示例，第三分光镜611和第二反射镜612多维可调，并通过驱动器进行驱动，驱动器为压电、磁致伸缩、电致伸缩中的一种。
67.通过指向性补偿模组对光束偏移量进行检测，再通过调节补偿镜组角度进行指向性补偿，使激光有效耦合进入过渡光纤，从而提升光斑质量。
68.此外，激光整形装置还包括光闸700。光闸700设置在补偿镜组610的下游，耦合单元210的上游。控制器630与光闸700电连接，用于控制加工光路的通断。当激光的指向性不满足要求时，光闸700阻断激光以避免毁坏加工光路或者避免加工异常。
69.实施例2
70.本实施例中的激光整形装置与实施例1基本相同，两者的区别在于如图6所示，本实施例中模场适配单元230为模场适配器mfa231，耦合单元210、过渡光纤220、模场适配器mfa231以及整形传输光纤240依次连接，模场适配器mfa231用于过渡光纤220与整形传输光纤240的模场匹配，从而有效控制光束在光纤熔接点的功率损耗和模场损耗。
71.本实施例采用耦合单元、过渡光纤、光纤模场适配器mfa、整形传输光纤和准直头的光学结构进行光束匀化整形，能够实现对少模、多模光束的匀化整形；另外采用大芯径、小数值孔径的过渡光纤和小芯径、大数值孔径的整形传输光纤进行光束模场耦合，既提高了耦合效率，又改善了光束匀化效果。
72.在该申请的又一个实施例中，如图7所示，激光整形装置还包括扰模器400和光斑检测模块500。其中，扰模器400设置在光纤模场适配器mfa231的光路下游，整形传输光纤
240的光路上游。光斑检测模块500设置在准直头300的光路下游，用于检测准直头300射出的激光光束的光斑质量，并将光斑质量反馈至扰模器400，进而通过调节扰模器400调整光斑质量。作为示例，扰模器400通过改变光纤的弯曲度改变光纤中不同模式的能量占比，从而改变输出光束的能量匀化效果、传输损耗和输出的bpp值。
73.具体来说，光斑检测模块500包括第二分光镜510、第一聚焦镜520和视觉模组530。第二分光镜510设置在准直头300后的光路上，将光路分成加工光路和检测光路。加工光路用以加工。检测光路经过第一聚焦镜520照射至视觉模组530，视觉模组530采集光斑图像并且分析光斑质量。视觉模组530与扰模器400连接，用于将检测到的光斑质量反馈至扰模器400。本实施例中，视觉模组530可包括ccd相机模组。
74.为了进一步免激光的指向性变化和光束能量变化造成的光纤损伤，在该申请的再一个实施例中，如图8所示，激光整形装置还包括指向性补偿模组600。指向性补偿模组600设置在激光发生器100的光路下游，激光耦合单元210的上游。激光发生器100发出的激光经指向性补偿模组600后分为两束，一束为加工光束，用以进行加工；另一束进行同步的激光指向性检测。指向性补偿模组600用于检测激光光束的偏移量，并根据偏移量对激光光束进行调整。
75.具体来说，指向性补偿模组600包括补偿镜组610、指向性检测组件620和控制器630。
76.补偿镜组610用于将激光器发射的激光光束分为两路，分别为加工光路和检测光路。加工光路经过补偿镜组610射入耦合单元210。检测光路经过补偿镜组610射入指向性检测组件620，检测检测光路的光束的偏移量。作为示例，指向性检测组件620为ccd相机模组。控制器630分别与补偿镜组610指向性检测组件620相连，用于根据偏移量实时对补偿镜组610的角度进行调整，以实现对加工光路和检测光路的调整。
77.另外，补偿镜组610包括第二反射镜611和第三分光镜612，第二反射镜611和第三分光镜612平行设置，第三分光镜612位于第二反射镜611的加工光路下游。激光经第二反射镜611反射后，照射至第三分光镜612。第三分光镜612将激光分为加工光路和检测光路。第二反射镜611多维可调，并通过驱动器进行驱动，驱动器为压电、磁致伸缩、电致伸缩中的一种。而第三分光镜(612)固定。
78.在补偿镜组610和指向性检测组件620之间的光路上设有第二聚焦镜640。
79.通过指向性补偿模组对光束偏移量进行检测，再通过调节补偿镜组角度进行指向性补偿，使激光有效耦合进入过渡光纤，从而提升光斑质量。
80.此外，激光整形装置还包括光闸700。光闸700设置在补偿镜组610的下游，耦合单元210的上游。控制器630与光闸700电连接，用于控制加工光路的通断。当激光的指向性不满足要求时，光闸700阻断激光，从而避免毁坏加工光路或者避免加工异常。
81.实施例3
82.本实施例中的激光整形装置与实施例1基本相同，两者的区别在于如图9所示，模场适配单元230为具有模场适配功能的光纤分束器233，耦合单元210、过渡光纤220、光纤分束器233以及整形传输光纤240依次连接，光纤分束器233一端和过渡光纤220熔接，用于对经过过渡光纤220的激光光束进行分光处理，另一端分别和两个整形传输光纤240熔接，分光后的两路激光光束依次经过整形传输光纤240和准直头300进行处理。通过设置光纤分束
器233将光束一分为二，进行两路传输，实现多光路的同时加工，提高加工效率。
83.本技术的有益效果为：(1)通过设置模场适配单元提高耦合系统的兼容性和稳定性，保证输出高质量的整形匀化光斑；(2)通过设置过渡光纤减少激光指向性对耦合效率的影响，同时降低指向性偏差造成光纤端面烧损的风险；(3)通过设置扰模器和光斑检测模块，实现了对准直头射出激光光束的光斑质量的检测和调节；(4)通过指向性补偿模组对光束偏移量进行检测，并通过调节补偿镜组角度进行指向性补偿，使激光有效耦合进入过渡光纤，提升光斑质量。
84.此外，本技术还利用图5的激光整形装置对光纤进行耦合。具体方法如下：
85.步骤s1，确定检测光斑的初始位置。
86.调节激光光束的光路，当激光光束的加工光路稳定，并且指向性检测组件620检测到的光斑也稳定处于检测视野中，将此时光斑的位置记录为检测光斑的初始位置。
87.步骤s2，实时检测检测光斑的实时位置，根据实时位置和初始位置计算检测光斑的偏移量。
88.在进行激光加工时，实时检测检测光斑的位置，并实时计算与初始位置的偏移量。
89.步骤s3，根据偏移量对检测光斑进行指向性调整。
90.根据偏移量调节第三分光镜611和第二反射镜612的位置，同时继续检测检测光斑的位置，直至其回到初始位置，或者回到可以接收的偏差位置，然后继续进行步骤s2。
91.本实施例中，指向性调整在样品加工前进行，在进行指向性调整时保持光闸关闭，然后检测光斑的实时位置和相对于初始位置的偏移量，并对光斑进行指向性调整，调整完毕后通过控制器630对光闸700进行开关控制。
92.本方法通过实时检测检测光斑的位置，计算检测光斑的偏移量，并通过补偿镜组进行指向性补偿，提升了光斑质量；通过扰模器和光斑检测模块检测和调整准直头射出的激光光束的光斑质量；采用过渡光纤，减少激光指向性对耦合效率的影响，同时降低指向性偏差造成光纤端面烧损的风险。
93.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
94.需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。