[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

本發明公開了一種渦旋光束生成系統、方法及相位調制組合裝置，本發明的相位調制組合裝置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，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。本發明通過設計一對自旋方向相反的反射式螺旋相位鏡，組合后通過旋轉產生拓撲數可調的渦旋光束，適用于激光切割、焊接、打孔等多種激光加工。

技術領域

本發明屬于激光應用領域，更具體地說，本發明涉及一種渦旋光束生成系統、方法及相位調制組合裝置。

背景技術

普通的高斯光束能量分布是由中心向邊緣遞減的，大部分能量集中在中心區域。在激光加工領域，尤其是激光焊接、切割、熔覆等領域，中心能量過高可能出現燒蝕等現象，而由于邊緣的能量不足，在進行激光切割等深度加工時，加工深度越深，邊緣的能量就更加不足，從而導致切割斷面不平整，使得加工質量、加工精度等受到了明顯的限制。

針對上述問題，目前常用的處理方法為將高斯分布的光斑變為環形光斑，最典型的環形光是渦旋光，渦旋光的半徑隨著拓撲數的增大而增大，因此能通過調整渦旋光的拓撲數來調整光斑大小進行靈活加工，而且渦旋光具有各個方向的偏振特性，在加工時可以忽略光的偏振方向對激光與物質作用產生的影響。與普通高斯分布的光斑相比，環形光斑的能量集中在邊沿環帶上，能量分布更為均勻，在進行激光的厚板切割時可以有效避免邊緣能量不足而造成的斷面不平整的問題以及在激光切割、焊接、熔覆時存在的斷面不平整、飛濺過多等問題，顯著提高激光加工產品的良品率。

現有技術中，實現輸出環形光斑的主要方法有如下幾種：1、使用渦旋相位片疊加來生成拓撲荷數可調的渦旋光，每個相位片生成固定拓撲數的渦旋光，不同相位片疊加產生的渦旋光的拓撲數為使用的相位片的拓撲數之和。由于相位片的價格昂貴，需要較多相位片才能實現渦旋光拓撲數靈活可調，這種方法的成本太高，不夠靈活。2、基于軸錐鏡產生組合環形光斑，但由于錐鏡材料和加工工藝的限制，目前可以加工實現的錐度范圍是有限的，在錐度過小時會產生較大的誤差，且對于晶體材料，多種不同錐度的錐面組合而成的鏡面的加工難度極大，所以采用透射式的軸錐棱鏡輸出的環形光斑在環半徑等參數上可調范圍相對小一些，且輸出多環形的組合光斑難度較大，無法靈活滿足不同的加工需求，此外軸錐鏡的材料也影響著可承受的光功率的大小；3、基于計算全息法產生產生組合環形光斑，計算全息原則上可以設計產生含組合環形光斑在內的任意光斑，但由于計算全息法需要用空間光調制器來完成，空間光調制器一般使用離軸一級衍射光，再加上損耗等因素，所以光能利用率較低，且不能承受千瓦級激光，因而相對使用較少；4、采用基于光纖實現的可調光斑模式的激光器來產生組合環形光斑，這種方法在光纖內實現光斑分布模式的調節的難度和成本較大，由于無可調節的外部光路，在使用的靈活性、便捷性上有所欠缺。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之缺陷，提供了一種渦旋光束生成系統、方法及相位調制組合裝置，通過對光學系統的組件及各個組件之間的配合作用方式等進行改進，能夠獲得能量分布集中在邊緣，直徑更大，焦深更長的環形光斑，并且，通過進一步控制反射式螺旋相位鏡的旋轉角度以及反射式螺旋相位鏡的相位設置，能夠實現渦旋光束的拓撲數可調，光斑大小的變化范圍可調，適用于激光切割等多種激光加工領域。