[發明專利]一種生成類平頂圓光斑的光學系統

在審

• 申請號: 202011644250.0
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112612142A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 秦應雄;昌思怡;葛佳琪;徐家明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/28
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種生成類平頂圓光斑的光學系統，屬于激光光學應用領域，包括：第一偏振分光棱鏡、螺旋相位板、第一全反鏡片、第二全反鏡片和第二偏振分光棱鏡；第一偏振分光棱鏡用于將高斯分布的入射激光束分離為水平偏振的P光束和垂直偏振的S光束；螺旋相位板和第一全反鏡片依次設置在S光束的光路上，螺旋相位板將S光束轉換為渦旋光束，第一全反鏡片將渦旋光束反射至第二偏振分光棱鏡；第二全反鏡片位于P光束的光路上，用于將P光束反射至第二偏振分光棱鏡；第二偏振分光棱鏡用于對P光束和渦旋光束進行疊加，以生成并輸出類平頂圓光斑。系統結構簡單易搭建，可獲得能量分布均勻且抗失調特性良好的類平頂圓光斑，適用于多種激光加工領域。

技術領域

本發明屬于激光光學應用領域，更具體地，涉及一種生成類平頂圓光斑的光學系統。

背景技術

普通高斯光束的能量分布由中心向邊緣遞減，大部分能量集中在中心區域。當使用高斯能量分布的激光進行激光加工時，若功率過大，中心能量過高，容易出現燒蝕、氣孔等現象；若功率低，邊緣能量不足，出現加工不完全的情況，在高功率激光焊接、熔覆、表面改性等加工領域，該缺陷尤為明顯。因此，能量均勻分布的光斑在激光光學應用領域更具優勢。

現有技術通常選擇衍射光學元件來獲得平頂圓形光斑，相對于高斯光束的能量分布，平頂圓形光斑的能量分布具有高均勻性。但是傳統基于衍射光學元件設計的平頂圓形光斑十分敏感，其能量分布極易受入射光斑尺寸、入射光束的中心偏移、工作距離的波動等因素的影響，并且均勻性在后續傳播過程中會持續降低，在實際加工過程中很難達到要求。因此，如何形成一種能量分布均勻、穩定性強的光斑，對本領域技術人員而言至關重要。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種生成類平頂圓光斑的光學系統，其目的在于提供一種結構簡單的光學系統，通過光學系統中各組件之間的配合作用，獲得能量分布均勻且抗失調特性良好的類平頂圓光斑。

為實現上述目的，本發明提供了一種生成類平頂圓光斑的光學系統，包括：第一偏振分光棱鏡、螺旋相位板、第一全反鏡片、第二全反鏡片和第二偏振分光棱鏡；所述第一偏振分光棱鏡用于將高斯分布的入射激光束分離為水平偏振的P光束和垂直偏振的S光束；所述螺旋相位板和第一全反鏡片依次設置在所述S光束的光路上，所述螺旋相位板用于將所述S光束轉換為渦旋光束，所述第一全反鏡片用于將所述渦旋光束反射至所述第二偏振分光棱鏡；所述第二全反鏡片位于所述P光束的光路上，用于將所述P光束反射至所述第二偏振分光棱鏡；所述第二偏振分光棱鏡用于對所述P光束和渦旋光束進行疊加，以生成并輸出類平頂圓光斑。

更進一步地，所述P光束和S光束經過相等距離的傳輸后到達所述第二偏振分光棱鏡。

更進一步地，還包括：二分之一波片和第三偏振分光棱鏡，所述二分之一波片、第三偏振分光棱鏡和第二全反鏡片依次設置在所述P光束的光路上；通過旋轉所述二分之一波片調節所述P光束和渦旋光束的能量比例。

更進一步地，還包括：激光器，用于生成高斯分布的激光束，并對所述激光束進行準直后輸出至所述第一偏振分光棱鏡。

更進一步地，所述激光器生成的激光束的波長以及功率與所述第一偏振分光棱鏡、螺旋相位板和第二偏振分光棱鏡均匹配。

更進一步地，通過更改所述螺旋相位板的拓撲數來控制所述類平頂圓光斑的直徑和功率。

更進一步地，所述螺旋相位板的拓撲數為1，所述P光束和渦旋光束的功率比例為0.66∶1。

更進一步地，所述螺旋相位板的拓撲數為2，所述P光束和渦旋光束的功率比例為0.37∶1。

更進一步地，所述螺旋相位板的拓撲數為3，所述P光束和渦旋光束的功率比例為0.31∶1。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案，能夠取得以下有益效果：