一种生成类平顶圆光斑的光学系统

本发明属于激光光学应用领域，更具体地，涉及一种生成类平顶圆光斑的光学系统。

背景技术：

普通高斯光束的能量分布由中心向边缘递减，大部分能量集中在中心区域。当使用高斯能量分布的激光进行激光加工时，若功率过大，中心能量过高，容易出现烧蚀、气孔等现象；若功率低，边缘能量不足，出现加工不完全的情况，在高功率激光焊接、熔覆、表面改性等加工领域，该缺陷尤为明显。因此，能量均匀分布的光斑在激光光学应用领域更具优势。

现有技术通常选择衍射光学元件来获得平顶圆形光斑，相对于高斯光束的能量分布，平顶圆形光斑的能量分布具有高均匀性。但是传统基于衍射光学元件设计的平顶圆形光斑十分敏感，其能量分布极易受入射光斑尺寸、入射光束的中心偏移、工作距离的波动等因素的影响，并且均匀性在后续传播过程中会持续降低，在实际加工过程中很难达到要求。因此，如何形成一种能量分布均匀、稳定性强的光斑，对本领域技术人员而言至关重要。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种生成类平顶圆光斑的光学系统，其目的在于提供一种结构简单的光学系统，通过光学系统中各组件之间的配合作用，获得能量分布均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑。

为实现上述目的，本发明提供了一种生成类平顶圆光斑的光学系统，包括：第一偏振分光棱镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第二偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜用于将高斯分布的入射激光束分离为水平偏振的p光束和垂直偏振的s光束；所述螺旋相位板和第一全反镜片依次设置在所述s光束的光路上，所述螺旋相位板用于将所述s光束转换为涡旋光束，所述第一全反镜片用于将所述涡旋光束反射至所述第二偏振分光棱镜；所述第二全反镜片位于所述p光束的光路上，用于将所述p光束反射至所述第二偏振分光棱镜；所述第二偏振分光棱镜用于对所述p光束和涡旋光束进行叠加，以生成并输出类平顶圆光斑。

更进一步地，所述p光束和s光束经过相等距离的传输后到达所述第二偏振分光棱镜。

更进一步地，还包括：二分之一波片和第三偏振分光棱镜，所述二分之一波片、第三偏振分光棱镜和第二全反镜片依次设置在所述p光束的光路上；通过旋转所述二分之一波片调节所述p光束和涡旋光束的能量比例。

更进一步地，还包括：激光器，用于生成高斯分布的激光束，并对所述激光束进行准直后输出至所述第一偏振分光棱镜。

更进一步地，所述激光器生成的激光束的波长以及功率与所述第一偏振分光棱镜、螺旋相位板和第二偏振分光棱镜均匹配。

更进一步地，通过更改所述螺旋相位板的拓扑数来控制所述类平顶圆光斑的直径和功率。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为1，所述p光束和涡旋光束的功率比例为0.66∶1。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为2，所述p光束和涡旋光束的功率比例为0.37∶1。

更进一步地，所述螺旋相位板的拓扑数为3，所述p光束和涡旋光束的功率比例为0.31∶1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)提出类平顶圆形光斑，相较于平顶圆形光斑，类平顶圆形光斑可以有效解决能量分布不均和光束敏感的问题，提高了光斑的能量分布均匀性和光斑稳定性，在一定焦深范围内都能维持均匀的能量分布，可以改善激光加工过程中因温度不均导致的各种加工缺陷，提高加工质量和精度；提出一种生成类平顶圆形光斑的光学系统，通过各组件之间的配合获得能量分布均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑，光斑抗失调特性良好，在一定焦深范围内都能维持光斑能量的均匀性，且不易受入射光尺寸、入射光发散角、偏移距离等条件影响，更适用于实际激光加工过程；

(2)通过偏振分光棱镜和螺旋相位板对光束的偏振态和相位进行调控，避免衍射、干涉等不理想的光学现象；

(3)通过二分之一波片和第三偏振分光棱镜实现p光束和涡旋光束的能量比例可调，二分之一波片的角度方向可连续旋转，从而实现任意光强配比；

(4)通过选择不同拓扑数的螺旋相位板来获得不同尺寸的类平顶圆光斑，从而适用于不同的应用场景；该光学系统结构简单易搭建，在获取所需光斑的前提下减少了不必要的输入和调制器件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的生成类平顶圆光斑的光学系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的生成类平顶圆光斑的光学系统中偏振分光棱镜的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的生成类平顶圆光斑的光学系统中螺旋相位板的结构示意图；

图4a为高斯分布的入射激光束的截面光场分布图；

图4b为高斯分布的入射激光束的三维光场分布图；

图5a为高斯分布的p光束的截面光场分布图；

图5b为高斯分布的p光束的三维光场分布图；

图6a为涡旋光束的截面光场分布图；

图6b为涡旋光束的三维光场分布图；

图7a为类平顶圆光斑的截面光场分布图；

图7b为类平顶圆光斑的三维光场分布图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为第一偏振分光棱镜，2为螺旋相位板，3为第一全反镜片，4为第二全反镜片，5为第二偏振分光棱镜，6为二分之一波片，7为第三偏振分光棱镜，8为激光器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的生成类平顶圆光斑的光学系统的结构示意图。参阅图1，结合图2-图7b，对本实施例中生成类平顶圆光斑的光学系统进行详细说明。

本发明实施例提出了一种类平顶圆形光斑。相较于平顶圆形光斑，类平顶圆形光斑可以有效解决能量分布不均和光束敏感的问题，提高了光斑的能量分布均匀性和光斑稳定性，在一定焦深范围内能维持均匀的能量分布，可以改善激光加工过程中因温度不均匀所导致的各种加工缺陷，提高加工质量和精度。

生成类平顶圆光斑的光学系统包括第一偏振分光棱镜1、螺旋相位板2、第一全反镜片3、第二全反镜片4和第二偏振分光棱镜5。第一偏振分光棱镜1用于将高斯分布的入射激光束分离为水平偏振的p光束和垂直偏振的s光束，如图2所示。螺旋相位板2和第一全反镜片3依次设置在s光束的光路上，螺旋相位板2用于将s光束转换为涡旋光束，被反射的s光束经过螺旋相位板2后能量由高斯分布变为环形分布；第一全反镜片3用于将涡旋光束反射至第二偏振分光棱镜5。第二全反镜片4位于p光束的光路上，用于将p光束反射至第二偏振分光棱镜5，透过的p光束保持高斯分布不变。第二偏振分光棱镜5用于对p光束和涡旋光束进行叠加，以生成并输出类平顶圆光斑。

本发明实施例中，p光束和s光束经过相等距离的传输后到达第二偏振分光棱镜。即第一偏振分光棱镜1将入射激光束分离为p光束和s光束之后，这两束光经过等距传输后到达第二偏振分光棱镜5，再由第二偏振分光棱镜5进行合束，从而确保高斯光束和涡旋光束的能量比例固定。

螺旋相位板2的拓扑数可自主设置，通过更改螺旋相位板2的拓扑数来控制类平顶圆光斑的直径和功率。参阅图3，螺旋相位板2是一种具有固定折射率的透明板，其一面为平面结构，平面结构的相对面为高度随方位角度变化的具有螺旋形状的台阶结构，螺旋相位板2的厚度随方位角的变化而变化。根据衍射光学元件的相位分布、材料折射率可以直接计算出螺旋相位板2台阶增加的厚度；衍射光学元件的厚度一般为微米量级，可以忽略不计，因此螺旋相位板2对光强的影响可以忽略。本实施例中的s光束通过螺旋相位板2后，由于在不同方位角走过的光程不同，从而使得出射光束的相位也发生变化，出射光束被附加一个螺旋相位因子exp(ilθ)，从而变为涡旋光束。其中，l为螺旋相位板2的拓扑数，l可随着两个衍射光学元件的角度差值变化，i表示复数符号。涡旋光束的大小受拓扑数影响，拓扑数越大，所得涡旋光束中心能量凹陷的区域越大，光斑直径也越大。

选择不同拓扑数的螺旋相位板2时，高斯分布的分光束功率与涡旋分光束的功率比例不固定，可以根据实际的焦平面光强分布情况进行调整优化。当螺旋相位板2的拓扑数为1时，高斯分布的p分光束功率与涡旋分光束功率比例为0.66∶1。当螺旋相位板2的拓扑数为2时，高斯分布的p分光束功率与涡旋分光束功率比例为0.37∶1。当螺旋相位板2的拓扑数为1时，高斯分布的p分光束功率与涡旋分光束功率比例为0.31∶1。

生成类平顶圆光斑的光学系统还包括二分之一波片6和第三偏振分光棱镜7。二分之一波片6、第三偏振分光棱镜7和第二全反镜片4依次设置在p光束的光路上。p光束入射至二分之一波片6，出射光的偏振方向发生改变，出射光再经第三偏振分光棱镜7被分离为两束偏振方向相互垂直的光束，通过旋转二分之一波片6来改变分光路的能量大小，从而调节p光束和涡旋光束的能量比例，获得均匀性更好的类平顶圆形光束。在选择不同拓扑数的螺旋相位板2时，所得类平顶圆光斑的大小也不同，需调整高斯分布分光束的能量比例来获得高均匀性的类平顶圆光斑。

第一偏振分光棱镜1、第二偏振分光棱镜5和第三偏振分光棱镜7均为在直角棱镜斜面镀制多层膜结构再胶合而成的立方晶体。利用光线以布鲁斯特角入射时p偏振光透射率为1而s偏振光透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，p偏振分量完全透过，而至少90％以上s偏振分量反射。

生成类平顶圆光斑的光学系统还包括激光器8。激光器8用于生成高斯分布的激光束，并对激光束进行准直后输出至第一偏振分光棱镜1。激光器8生成的激光束的波长以及功率与第一偏振分光棱镜1、螺旋相位板2和第二偏振分光棱镜5均匹配。进一步地，激光器8生成的激光束的波长以及功率还应与第三偏振分光棱镜7匹配。

本实施例中，非偏振的高斯分布入射光束经第一偏振分光棱镜1分离为两束相互垂直的线偏振光，入射至第一偏振分光棱镜1中的激光光束如图4a和图4b所示，图4a和图4b以波长为1064nm的非偏振高斯分布入射光为例。其中一路光束经过不同拓扑数的螺旋相位板2后转换为涡旋光束，产生的涡旋光束如图6a和图6b所示，图6a和图6b以螺旋相位板2的拓扑数为1为例。另一路光束入射到二分之一波片6，偏振方向发生改变，再由第三偏振分光棱镜7分离出所需能量比例的p光，能量比例由二分之一波片6的旋转角度决定，通过观察系统中输出的类平顶圆光斑来实时调整高斯分光束的能量，该呈高斯分布的光束如图5a和图5b所示，图5a和图5b以二分之一波片6和第三偏振分光棱镜7调整后能量比例为0.66为例。这两路光束经过等距传输后再由第二偏振分光棱镜5进行合束，获得能量均匀的类平顶圆形光斑，生成的类平顶圆光斑如图7a和图7b所示。

该类平顶圆光斑能有效解决实际激光加工过程中因能量不均匀导致的加工缺陷，能有效提高加工产品质量，适用于激光熔覆、焊接、表面改性等众多领域。该类平顶圆光斑良好的抗失调特性，对激光光学应用领域具有重大意义，在实际应用过程中，入射光尺寸、入射光发射角以及偏移距离等条件很难处于理想状态，抗失调特性良好的类平顶圆光斑能最大限度确保高质量的加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。