一种基于输出光束环形能量分布的CO2激光器输出系统的制作方法

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统。

背景技术：

在激光器领域中，稳定的光学谐振腔和大量的非均匀反射的非稳腔输出的激光模式大部分为高斯基模，因此高斯基模是各种类型激光器中最典型的输出模式，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，对于高功率板条co2激光器，通常功率可达4500w以上，加工时基模高斯光束会对镜片中心造成一定程度的损坏；同时在激光加工时拼缝不规则且缝隙较大的拼接过程中，基模光束的中心部分容易漏光，造成较多功率的损失。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统，从而避免传统激光器输出的高斯光束对镜片的损伤，同时降低在激光加工时因焊缝较宽损失的输出功率，旨在解决将输出的高斯基模转化为环状能量分布模式的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统，该系统输出光束具有环形能量分布，即能量强度分布呈圆环状，圆环中心存在一个极小值点，具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力，可以有效的避免因光强分布导致对镜片的损伤，同时，该能量分布特征更加适合焊缝宽度较宽的场合。

基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统包括耦合输出镜，尾镜，窗口镜，转折镜，球面镜d1，滤波器，柱面镜，球面镜d2和球面镜d3。

首先输出的像散光束经过窗口镜和转折镜到达球面镜d1，对波导方向上的光束进行准直同时对与波导方向垂直的非稳方向上的光束进行聚焦，之后光束经过滤波器后到达柱面镜，柱面镜处于使非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，使非稳方向的发散角和波导方向的发散角相等，此时的光束为高斯基模，最后光束到达球面镜d3，对输出光束进行准直，同时通过调整球面镜d3的曲率半径与放置位置，可调节输出光束的束腰位置，这样从谐振腔中出射的像散光束经过上述输出系统后，变为高光束质量的接近高斯基模的非像散光束。但是由于球面镜d3表面镀有使输出光束相位分布产生-π～π的螺旋相位变化的膜层，膜层厚度随球面镜半径旋转2π的过程中从到线性渐变(l为膜层初始厚度)，可以实现将高斯光束转换为环形能量分布的光束的功能，从而在远场获得强度分布中心存在一个极小值点的光束输出，在实际操作中可以通过更换球面镜d2和球面镜d3来实现近似高斯基模和环形能量分布模式之间的相互切换。。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将传统输出的高斯光束转化为具有环状能量分布的模式，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用球面镜d3代替传统意义上的球面镜d2，co2激光器输出的近场高斯基模通过该球面镜d3改变输出模式，即将基模高斯光束整形为环形能量分布，并具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力的模式，可有效减少高功率基模高斯光束对镜片中央的损坏。

同时，该模式即使在激光加工中焊缝较宽的情况下，损失输出光束的能量，相比于高斯基模，也将大大减小，所以本发明的输出系统本身更适合焊缝宽度较宽的场合。

2、采用螺旋相位片原理实现环形能量分布模式的整形。将系统中球面镜d2上镀膜，膜层主要使得输出光束经过球面镜d2准直后，光束相位分布产生-π～π的螺旋相位变化，通过这一方式最终获得远场传输特性较好的环状能量分布模式，同时聚焦后该模式在焦平面附近很稳定，整形效率为97.1％，经计算此时该模式的m²因子为2.29，从而获得适合激光加工的激光输出模式。

3、基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统中，通过更换球面镜d2与球面镜d3可实现近似高斯基模和环状能量分布模式相互之间的切换，操作方便。

附图说明

图1是本发明输出光束的模式强度分布图；其中，(a)为光强分布的三维图，(b)为强度分布的俯视图；

图2是球面镜d3及球面镜d2互换装置图；

图3是本发明设计的球面镜d3的结构示意图；

图4是本发明设计的球面镜d3的膜层的相位关系示意图；其中，(a)为膜层相位关系分布三维示意图，(b)为膜层相位分布平面图。

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。

图1为本发明实施例提供的输出光束的模式强度分布图；如图1所示为输出光束的模式强度分布的理论模型，其中图1(a)为光强分布的三维图，而图1(b)为强度分布的俯视图，可以看到输出光束的模式是具有环形能量分布的一种激光模式，其强度分布中心存在一个极小值，该模式的能量分布对镜片的损伤极小，同时在拼接焊缝较宽的情况下，因漏光损失的功率也较少。

图2是球面镜d3及球面镜d2互换装置图；本发明提供了基于球面镜d3的co2激光器输出系统，其目的在于实现近似高斯基模和环形能量分布模式相互切换，具体整形系统如图2所示，包括耦合输出镜1，尾镜2，窗口镜4，折镜6，球面镜d1，滤波器7，柱面镜8，球面镜d2和球面镜d3。

输出光束通过金刚石窗口镜4从包含谐振腔的箱体中出射，金刚石窗口镜具有良好的导热性能以及高机械强度；出射的像散光束经过转折镜6后到达球面镜d1，球面镜d1一方面对波导方向的光束进行准直，另一方面对非稳方向的光束进行聚焦，通过在非稳方向光线焦点处放置的空间滤波器7消除非稳方向上的旁瓣，提高非稳方向光束的光束质量；柱面镜8处于非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，柱面镜8主要作用是使非稳方向的发散角和波导方向的发散角相等；球面镜d3主要是对输出光束进行准直，便于激光器进行远距离加工，调整球面镜d3的曲率半径与放置位置，可调节输出光束的束腰位置；从谐振腔中出射的像散光束经过整形系统后，变为高光束质量的接近高斯基模的非像散光束；球面镜d3表面镀有可使输出光束相位改变的光学薄膜，通过改变镀膜厚度实现相位的改变，膜层厚度与相位关系为相位其中为膜层对光波的附加相位，n为膜层折射率，d为膜层厚度，λ为输出光束的波长，由此可知，薄膜的厚度随球面镜半径旋转2π的过程中从到线性渐变(l为膜层初始厚度)，则可实现膜层从-π～π的螺旋相位变化。在实际操作中可以通过更换球面镜d2和球面镜d3来实现近似高斯基模和具有环状能量分布的模式之间的相互切换。

图3是本发明设计的球面镜d3的结构示意图；如图3所示进一步说明球面镜d3是在传统球面镜d2的基础上表面镀有能改变相位的光学薄膜11，使光束的远场和近场传输特性更为理想，采用螺旋相位片原理使输出光束在经过球面镜d3后相位发生改变，从而在远场获得具有环状能量分布的光模式输出。

图4是本发明设计的球面镜d3的膜层的相位关系示意图；其中图4(a)为膜层相位关系分布三维示意图，图4(b)为膜层相位分布平面图。根据图4可以看出，本发明在高功率射频板条co2激光器输出系统中，采用球面镜d3更换球面镜d2后，输出光束的相位分布产生了-π～π的螺旋相位变化，很好地将近似高斯基模转化为所需模式从远场输出。同时聚焦后所需模式在焦平面附近很稳定，整形效率为97.1％，经计算此时该模式的光束衍射倍率m²因子为2.29，从而获得适合激光加工的能量环状分布的模式。

进一步地说明，传统高功率射频板条co2激光器输出高斯基模，由于高斯基模的能量分布遵循高斯分布，中心能量最高，通常可达4500w以上，所以在激光加工出现拼缝不规则和缝隙较宽的情况时，基模光束中心部分容易漏光，导致输出功率损失严重的问题。当高斯基模转化为环状能量分布的模式时，转换后的模式光强强度分布在中心存在极小值点，具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力，输出功率相对高斯基模损失较小，所以环状能量分布的模式更适合激光加工时焊缝较宽的情况。

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。