[实用新型]一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置

说明书

本实用新型公开了一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置，相位调制组合装置包括两个反射式衍射光学元件，两个反射式衍射光学元件的相位分别设置为Aθ²和‑Aθ²，A为常数，用于控制所得涡旋光束的拓扑数的变化范围，θ为以反射式衍射光学元件的圆心为原点的方位角，两个反射式衍射光学元件设置在光路上，激光束经两个反射式衍射光学元件依次反射后被附上设定拓扑数的螺旋相位因子，变为环形涡旋光束，通过旋转一个或两个反射式衍射光学元件控制两个反射式衍射光学元件的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数。本实用新型通过设计一对反射式衍射光学元件，组合后通过旋转产生拓扑数可调的涡旋光束，适用于激光切割、焊接、打孔等多种激光加工。

技术领域

本实用新型属于激光应用领域，更具体地说，本实用新型涉及一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置。

背景技术

普通的高斯光束能量分布是由中心向边缘递减的，大部分能量集中在中心区域。在激光加工领域，尤其是激光焊接、切割、熔覆等领域，中心能量过高可能出现烧蚀等现象，而由于边缘的能量不足，在进行激光切割等深度加工时，加工深度越深，边缘的能量就更加不足，从而导致切割断面不平整，使得加工质量、加工精度等受到了明显的限制。

针对上述问题，目前常用的处理方法为将高斯分布的光斑变为环形光斑，最典型的环形光是涡旋光，涡旋光的半径随着拓扑数的增大而增大，因此能通过调整涡旋光的拓扑数来调整光斑大小进行灵活加工，而且涡旋光具有各个方向的偏振特性，在加工时可以忽略光的偏振方向对激光与物质作用产生的影响。与普通高斯分布的光斑相比，环形光斑的能量集中在边沿环带上，能量分布更为均匀，在进行激光的厚板切割时可以有效避免边缘能量不足而造成的断面不平整的问题以及在激光切割、焊接、熔覆时存在的断面不平整、飞溅过多等问题，显著提高激光加工产品的良品率。

现有技术中，实现输出环形光斑的主要方法有如下几种：1、使用涡旋相位片叠加来生成拓扑荷数可调的涡旋光，每个相位片生成固定拓扑数的涡旋光，不同相位片叠加产生的涡旋光的拓扑数为使用的相位片的拓扑数之和。由于相位片的价格昂贵，需要较多相位片才能实现涡旋光拓扑数灵活可调，这种方法的成本太高，不够灵活。2、基于轴锥镜产生组合环形光斑，但由于锥镜材料和加工工艺的限制，目前可以加工实现的锥度范围是有限的，在锥度过小时会产生较大的误差，且对于晶体材料，多种不同锥度的锥面组合而成的镜面的加工难度极大，所以采用透射式的轴锥棱镜输出的环形光斑在环半径等参数上可调范围相对小一些，且输出多环形的组合光斑难度较大，无法灵活满足不同的加工需求，此外轴锥镜的材料也影响着可承受的光功率的大小；3、基于计算全息法产生产生组合环形光斑，计算全息原则上可以设计产生含组合环形光斑在内的任意光斑，但由于计算全息法需要用空间光调制器来完成，空间光调制器一般使用离轴一级衍射光，再加上损耗等因素，所以光能利用率较低，且不能承受千瓦级激光，因而相对使用较少；4、采用基于光纤实现的可调光斑模式的激光器来产生组合环形光斑，这种方法在光纤内实现光斑分布模式的调节的难度和成本较大，由于无可调节的外部光路，在使用的灵活性、便捷性上有所欠缺。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置，通过对光学系统的组件及各个组件之间的配合作用方式等进行改进，能够获得能量分布集中在边缘，直径更大，焦深更长的环形光斑，并且，通过进一步控制反射式衍射光学元件的旋转角度以及反射式衍射光学元件的相位设置，能够实现涡旋光束的拓扑数可调，光斑大小的变化范围可调，适用于激光切割等多种激光加工领域。