[发明专利]一种生成类平顶圆光斑的光学系统

说明书

本发明公开了一种生成类平顶圆光斑的光学系统，属于激光光学应用领域，包括：第一偏振分光棱镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第二偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜用于将高斯分布的入射激光束分离为水平偏振的P光束和垂直偏振的S光束；螺旋相位板和第一全反镜片依次设置在S光束的光路上，螺旋相位板将S光束转换为涡旋光束，第一全反镜片将涡旋光束反射至第二偏振分光棱镜；第二全反镜片位于P光束的光路上，用于将P光束反射至第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜用于对P光束和涡旋光束进行叠加，以生成并输出类平顶圆光斑。系统结构简单易搭建，可获得能量分布均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑，适用于多种激光加工领域。

技术领域

本发明属于激光光学应用领域，更具体地，涉及一种生成类平顶圆光斑的光学系统。

背景技术

普通高斯光束的能量分布由中心向边缘递减，大部分能量集中在中心区域。当使用高斯能量分布的激光进行激光加工时，若功率过大，中心能量过高，容易出现烧蚀、气孔等现象；若功率低，边缘能量不足，出现加工不完全的情况，在高功率激光焊接、熔覆、表面改性等加工领域，该缺陷尤为明显。因此，能量均匀分布的光斑在激光光学应用领域更具优势。

现有技术通常选择衍射光学元件来获得平顶圆形光斑，相对于高斯光束的能量分布，平顶圆形光斑的能量分布具有高均匀性。但是传统基于衍射光学元件设计的平顶圆形光斑十分敏感，其能量分布极易受入射光斑尺寸、入射光束的中心偏移、工作距离的波动等因素的影响，并且均匀性在后续传播过程中会持续降低，在实际加工过程中很难达到要求。因此，如何形成一种能量分布均匀、稳定性强的光斑，对本领域技术人员而言至关重要。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种生成类平顶圆光斑的光学系统，其目的在于提供一种结构简单的光学系统，通过光学系统中各组件之间的配合作用，获得能量分布均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑。

为实现上述目的，本发明提供了一种生成类平顶圆光斑的光学系统，包括：第一偏振分光棱镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第二偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜用于将高斯分布的入射激光束分离为水平偏振的P光束和垂直偏振的S光束；所述螺旋相位板和第一全反镜片依次设置在所述S光束的光路上，所述螺旋相位板用于将所述S光束转换为涡旋光束，所述第一全反镜片用于将所述涡旋光束反射至所述第二偏振分光棱镜；所述第二全反镜片位于所述P光束的光路上，用于将所述P光束反射至所述第二偏振分光棱镜；所述第二偏振分光棱镜用于对所述P光束和涡旋光束进行叠加，以生成并输出类平顶圆光斑。

更进一步地，所述P光束和S光束经过相等距离的传输后到达所述第二偏振分光棱镜。

更进一步地，还包括：二分之一波片和第三偏振分光棱镜，所述二分之一波片、第三偏振分光棱镜和第二全反镜片依次设置在所述P光束的光路上；通过旋转所述二分之一波片调节所述P光束和涡旋光束的能量比例。

更进一步地，还包括：激光器，用于生成高斯分布的激光束，并对所述激光束进行准直后输出至所述第一偏振分光棱镜。

更进一步地，所述激光器生成的激光束的波长以及功率与所述第一偏振分光棱镜、螺旋相位板和第二偏振分光棱镜均匹配。

更进一步地，通过更改所述螺旋相位板的拓扑数来控制所述类平顶圆光斑的直径和功率。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为1，所述P光束和涡旋光束的功率比例为0.66∶1。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为2，所述P光束和涡旋光束的功率比例为0.37∶1。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为3，所述P光束和涡旋光束的功率比例为0.31∶1。

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：