[發明專利]一種渦旋光束生成系統、方法及相位調制組合裝置

有效

• 申請號: 202011436334.5
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112505914B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 徐家明;秦應雄;張蘭天;段光前
• 申請（專利權）人: 武漢先河激光技術有限公司
• 主分類號: G02B26/06
• 分類號: G02B26/06;G02B27/09
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 代嬋

1.一種相位調制組合裝置，其特征在于：包括兩個反射式螺旋相位鏡，兩個反射式螺旋相位鏡的相位分別設置為Aθ²和-Aθ²，A為常數，用于控制所得渦旋光束的拓撲數的變化范圍，所得渦旋光拓撲數取從0到4Aπ區間內的所有整數，θ為以反射式螺旋相位鏡的圓心為原點的方位角，兩個反射式螺旋相位鏡設置在光路上，激光束經兩個反射式螺旋相位鏡依次反射后被附上設定拓撲數的螺旋相位因子，變為環形渦旋光束，通過旋轉一個或兩個反射式螺旋相位鏡控制兩個反射式螺旋相位鏡的角度差，來調整所得渦旋光束的拓撲數，兩個反射式螺旋相位鏡的角度差為的整數倍；

從兩個反射式螺旋相位鏡的初始角對齊位置開始，繞光軸旋轉反射式螺旋相位鏡，當兩個反射式螺旋相位鏡的角度差為α,α∈(0,2π)時，相位調制組合裝置對光束的作用結果是兩個反射式螺旋相位鏡的光場函數的乘積，即exp(iAθ²)*exp[-iA(θ-α)²]＝exp(iA2αθ-iAα²)，其中exp(-iAα²)是一個對光場沒有影響的常數，因此，相位調制組合裝置為經過光束附加了一個螺旋相位因子exp(i2Aαθ)，渦旋拓撲數為2Aα；兩個反射式螺旋相位鏡的角度差每增加所得渦旋光束的拓撲數增加1，此系統生成的渦旋光束的拓撲數從0到4nπ范圍內的整數連續可調；

所述反射式螺旋相位鏡設有以中心為原點，高度隨方位角變化的具有螺旋形狀的臺階反射面，其臺階反射面表面形狀只與相位設置和激光波長有關，其表面形狀與相位設置和激光波長的對應關系為其中λ為激光波長，為設置的相位，D為端面的高度；所述反射式螺旋相位鏡包括兩個端面，所述反射式螺旋相位鏡的一個端面為以中心為原點，高度隨方位角變化的具有螺旋形狀的臺階反射面，入射光經過臺階反射面反射，改變入射光的光程來改變相位；

對于任意一個反射式螺旋相位鏡，激光從反射面的中心以小角度入射，螺旋形狀的臺階結構給入射光帶來的光程變化使其相位對應發生改變；

兩個反射式螺旋相位鏡中的第一反射式螺旋相位鏡與第一驅動裝置連接，通過第一驅動裝置驅動第一反射式螺旋相位鏡繞其中心軸線轉動，或/和，兩個反射式螺旋相位鏡中的第二反射式螺旋相位鏡與第二驅動裝置連接，通過第二驅動裝置驅動第二反射式螺旋相位鏡繞其中心軸線轉動，本發明根據所需渦旋光束的拓撲數，通過控制器計算兩個反射式螺旋相位鏡需要的角度差，自動驅動一個或兩個反射式螺旋相位鏡轉動達到所需的角度差，從而使光束從相位調制組合裝置出射后得到所需拓撲荷數的渦旋光；通過自主調節反射式螺旋相位鏡的旋轉角度，通過旋轉一個或兩個反射式螺旋相位鏡控制兩個反射式螺旋相位鏡的角度差，從而得到不同拓撲荷數的渦旋光，進而改變環形聚焦光斑的大小，實現環形光斑的大小連續可調，可以滿足不同板厚的切割要求；

本發明使用兩個反射式螺旋相位鏡組合產生拓撲數可調的渦旋光，利用兩個反射式螺旋相位鏡的相位隨角度變化的關系，通過相對旋轉的方式得到不同拓撲數的渦旋光，反射式螺旋相位鏡的臺階高度通常為微米量級，并且初始光束都是通過擴束系統擴束的，基本沒有發散，因此，反射式螺旋相位鏡對光束光強基本沒有衰減，而只是改變光束的相位，對于單色性好的光源，產生的環形光束純度更高；

還包括兩個聚焦鏡，兩個聚焦鏡位于第一反射式螺旋相位鏡與第二反射式螺旋相位鏡之間的光路上，兩個聚焦鏡用于將第一反射式螺旋相位鏡的像面傳輸到第二反射式螺旋相位鏡處，形成4F系統。

2.根據權利要求1所述的相位調制組合裝置，其特征在于：所述反射式螺旋相位鏡的另一個端面為平面端面。

3.根據權利要求1所述的相位調制組合裝置，其特征在于：第一聚焦鏡(7)的焦距為F₁，第二聚焦鏡(8)的焦距為F₂，第一聚焦鏡(7)到第一螺旋相位鏡(3)的距離L₁＝F₁，第一聚焦鏡(7)到第二聚焦鏡(8)的距離L₂＝F₁+F₂，第二聚焦鏡(8)到第二螺旋相位鏡(4)的距離L₃＝F₂。