[發(fā)明專利]一種基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811169374.0
• 申請(qǐng)日: 2018-10-08
• 公開（公告）號(hào): CN109244817B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐霞輝;宋宇燕;王煒;秦應(yīng)雄;肖瑜;夏燃;李想
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/10
• 分類號(hào): H01S3/10;G02B27/09;G02B27/30
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發(fā)明公開了一種基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)，現(xiàn)有的CO2激光器輸出系統(tǒng)典型輸出光束為高斯分布，中心能量最高；本發(fā)明涉及的CO2激光器輸出系統(tǒng)，在用于對(duì)輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并通過調(diào)整曲率半徑與放置位置，調(diào)節(jié)輸出光束的束腰位置的球面鏡上鍍有可改變相位的光學(xué)薄膜，該薄膜能使輸出光束的相位發(fā)生?π～π的螺旋轉(zhuǎn)變，根據(jù)螺旋相位片原理，該系統(tǒng)輸出的光束具有環(huán)形能量分布，具有攜帶和光軸相對(duì)應(yīng)的軌道角動(dòng)量的能力，可以有效的避免因光強(qiáng)分布導(dǎo)致對(duì)鏡片的損傷，同時(shí)，即使激光加工的焊縫寬度較寬，功率損失也較小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在激光器領(lǐng)域中，穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔和大量的非均勻反射的非穩(wěn)腔輸出的激光模式大部分為高斯基模，因此高斯基模是各種類型激光器中最典型的輸出模式，但是近似高斯基模的能量分布遵循高斯分布，中心能量最高，對(duì)于高功率板條CO2激光器，通常功率可達(dá)4500W以上，加工時(shí)基模高斯光束會(huì)對(duì)鏡片中心造成一定程度的損壞；同時(shí)在激光加工時(shí)拼縫不規(guī)則且縫隙較大的拼接過程中，基模光束的中心部分容易漏光，造成較多功率的損失。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)，從而避免傳統(tǒng)激光器輸出的高斯光束對(duì)鏡片的損傷，同時(shí)降低在激光加工時(shí)因焊縫較寬損失的輸出功率，旨在解決將輸出的高斯基模轉(zhuǎn)化為環(huán)狀能量分布模式的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸出光束具有環(huán)形能量分布，即能量強(qiáng)度分布呈圓環(huán)狀，圓環(huán)中心存在一個(gè)極小值點(diǎn)，具有攜帶和光軸相對(duì)應(yīng)的軌道角動(dòng)量的能力，可以有效的避免因光強(qiáng)分布導(dǎo)致對(duì)鏡片的損傷，同時(shí)，該能量分布特征更加適合焊縫寬度較寬的場合。

基于輸出光束環(huán)形能量分布的CO2激光器輸出系統(tǒng)包括耦合輸出鏡，尾鏡，窗口鏡，轉(zhuǎn)折鏡，球面鏡D1，濾波器，柱面鏡，球面鏡D2和球面鏡D3。

首先輸出的像散光束經(jīng)過窗口鏡和轉(zhuǎn)折鏡到達(dá)球面鏡D1，對(duì)波導(dǎo)方向上的光束進(jìn)行準(zhǔn)直同時(shí)對(duì)與波導(dǎo)方向垂直的非穩(wěn)方向上的光束進(jìn)行聚焦，之后光束經(jīng)過濾波器后到達(dá)柱面鏡，柱面鏡處于使非穩(wěn)方向和波導(dǎo)方向束腰半徑相等的位置，使非穩(wěn)方向的發(fā)散角和波導(dǎo)方向的發(fā)散角相等，此時(shí)的光束為高斯基模，最后光束到達(dá)球面鏡D3，對(duì)輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直，同時(shí)通過調(diào)整球面鏡D3的曲率半徑與放置位置，可調(diào)節(jié)輸出光束的束腰位置，這樣從諧振腔中出射的像散光束經(jīng)過上述輸出系統(tǒng)后，變?yōu)楦吖馐|(zhì)量的接近高斯基模的非像散光束。但是由于球面鏡D3表面鍍有使輸出光束相位分布產(chǎn)生-π～π的螺旋相位變化的膜層，膜層厚度隨球面鏡半徑旋轉(zhuǎn)2π的過程中從到線性漸變(L為膜層初始厚度)，可以實(shí)現(xiàn)將高斯光束轉(zhuǎn)換為環(huán)形能量分布的光束的功能，從而在遠(yuǎn)場獲得強(qiáng)度分布中心存在一個(gè)極小值點(diǎn)的光束輸出，在實(shí)際操作中可以通過更換球面鏡D2和球面鏡D3來實(shí)現(xiàn)近似高斯基模和環(huán)形能量分布模式之間的相互切換。。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于將傳統(tǒng)輸出的高斯光束轉(zhuǎn)化為具有環(huán)狀能量分布的模式，能夠取得下列有益效果：

1、本發(fā)明采用球面鏡D3代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的球面鏡D2，CO₂激光器輸出的近場高斯基模通過該球面鏡D3改變輸出模式，即將基模高斯光束整形為環(huán)形能量分布，并具有攜帶和光軸相對(duì)應(yīng)的軌道角動(dòng)量的能力的模式，可有效減少高功率基模高斯光束對(duì)鏡片中央的損壞。

同時(shí)，該模式即使在激光加工中焊縫較寬的情況下，損失輸出光束的能量，相比于高斯基模，也將大大減小，所以本發(fā)明的輸出系統(tǒng)本身更適合焊縫寬度較寬的場合。