CN110376748A - 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜 - Google Patents

高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜 Download PDF

Info

Publication number
CN110376748A
CN110376748A CN201910487565.XA CN201910487565A CN110376748A CN 110376748 A CN110376748 A CN 110376748A CN 201910487565 A CN201910487565 A CN 201910487565A CN 110376748 A CN110376748 A CN 110376748A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mirror
shaping
bus
light beam
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910487565.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110376748B (zh
Inventor
唐霞辉
邹峰
彭浩
刘赞勇
张旭辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Foshan Gengu Laser Technology Co Ltd
Original Assignee
Foshan Gengu Laser Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Foshan Gengu Laser Technology Co Ltd filed Critical Foshan Gengu Laser Technology Co Ltd
Priority to CN201910487565.XA priority Critical patent/CN110376748B/zh
Publication of CN110376748A publication Critical patent/CN110376748A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110376748B publication Critical patent/CN110376748B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0944—Diffractive optical elements, e.g. gratings, holograms

Abstract

本发明公开了高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜，整形镜的反射面整体呈中部凸起、外围凹陷形状，所述反射面通过第一母线以一竖直线旋转而成，所述第一母线为一段圆弧线，所述第一母线的曲率半径为4200mm，所述一竖直线穿过第一母线的下端点，所述第一母线的上端点与第一母线的上端点之间的垂直距离为0.00625mm，所述第一母线的圆心角度数为0.04°。Donut模式整形装置，包括：整形镜和高功率射频板条CO2激光器，所述高功率射频板条CO2激光器用于输出模式为高斯基模的光束，所述光束输入到整形镜中。本发明适合焊缝宽度较宽的场合。

Description

高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜。
背景技术
高斯基模是各种类型激光器中最典型的输出模式，是激光应用中最常见的模式。但随着激光在各个领域的广泛应用，对激光光束的模式分布提出了许多新的要求。而Donut模式的独特性质，环形能量分布，具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力。在高功率板条激光器加工中，为了减少镜片中央高功率基模高斯光束的损坏，适合焊缝宽度较宽的场合，Donut模式是最佳选择。现有Donut模式的输出系统一般结构复杂，不易加工。
发明内容
本发明的目的：提供了结构简单，易于加工的整形镜及Donut模式整形系统。
本发明解决其技术问题的解决方案是：整形镜，所述整形镜的反射面整体呈中部凸起、外围凹陷形状，所述反射面通过第一母线以一竖直线旋转而成，所述第一母线为一段圆弧线，所述第一母线的曲率半径为4200mm，所述一竖直线穿过第一母线的下端点，所述第一母线的上端点与第一母线的上端点之间的垂直距离为0.00625mm，所述第一母线的圆心角度数为0.04°。
高功率激光器Donut模式整形装置，包括：上述技术方案所述的整形镜，Donut模式整形系统还包括高功率射频板条CO2激光器，所述高功率射频板条CO2激光器用于输出模式为高斯基模的光束，所述光束输入到整形镜中。
进一步，所述高功率射频板条CO2激光器包括：谐振腔、窗口镜、转折镜、球面镜、空间滤波器和柱面镜，光束从谐振腔中射出，依次经过窗口镜到达转折镜，所述转折镜将光束转折并到达球面镜，球面镜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，焦点处设置有空间滤波器，所述空间滤波器用于消除非稳方向上的旁瓣，所述柱面镜处于非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，所述柱面镜将光束反射至整形镜中。
进一步，所述谐振腔包括：尾镜和耦合输出镜，所述尾镜和耦合输出镜正对设置，所述耦合输出镜将光束输出给窗口镜。
进一步，所述窗口镜为金刚石材质。
进一步，所述高功率射频板条CO2激光器的输出波长为10.6μm。
本发明的有益效果是：整形镜及Donut模式整形系统结构简单便于加工，且可将基模高斯光束整形为环形能量分布，具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力的Donut模式，减少了镜片中央高功率基模高斯光束的损坏，适合焊缝宽度较宽的场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是Donut模式强度分布图，其中图1(a)为强度分布三维图，图1(b)为强度分布俯视图；
图2是整形镜的剖面图；
图3是Donut模式整形系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例一，参考图1、图2和图3，高功率激光器Donut模式整形装置，包括：高功率射频板条CO2激光器及整形镜700，所述高功率射频板条CO2激光器用于输出模式为高斯基模的光束，所述光束输入到整形镜700中，所述整形镜700的反射面整体呈中部凸起、外围凹陷形状，所述反射面通过第一母线710以一竖直线旋转而成，所述第一母线710为一段圆弧线，所述第一母线710的曲率半径R为4200mm，所述一竖直线穿过第一母线710的下端点712，所述第一母线710的上端点711与第一母线710的上端点711之间的垂直距离h为0.00625mm，所述第一母线710的圆心角α度数为0.04°
所述整形镜700，使用衍射光学元件，将激光光束的高斯基模进行整形，可以使得输出的光束在经过整形镜700后相位发生改变，从而在远场获得Donut模式输出。本发明的整形镜700的相关参数是通过如下光学元件设计得到的。为得到整形镜700上的尺寸参数，本发明采用了G-S算法，该算法是Gercheberg和Saxton在1972年提出的一种可用于衍射光学元件设计的迭代优化算法。
算法基本思想如下：首先对入射光场，通过正向衍射传输得到输出平面上的光场分布；接下来对输出平面上的光场进行修改，用期望获得的光场振幅分布(如Donut模式)取代原光场振幅分布，但此时保持输出光场的相位不变，然后做逆向衍射传输得到输入平面光场分布；紧接着在输入平面以初始入射光场振幅分布替换此时输入平面上的光场振幅，但保证光场的相位不变；然后继续进行正向衍射传输，按照上述过程不断进行迭代，直至得到理想的结果。
本发明采用2维的G-S算法进行数值模拟，将到达整形镜700之前的输出光束作为初始场，采用下式表示：
输出平面上的远场分布用下式表示：
E2(x2,y2)＝A2(x2,y2)exp[iφ(x2,y2)]
定义期望获得的输出光束远场光强分布为Iout。即Donut模式的光强分布。则Iout＝|A2(x2,y2)|2
上式中w0的大小可以改变。根据光学原理可知，光束在远场的分布可通过以下变换获得：
式中k代表波矢，f代表数值模拟中透镜的焦距。结合以上公式本发明通过G-S算法，经过迭代计算得到了Donut模式分布，如图1(a)和图1(b)所示。图1(b)是整形后的Donut模式的能量分俯视图，图1(a)是Donut模式的三维分布图，整体的模拟结果和实际的Donut模式比较吻合，此时的Donut模式是通过焦距f＝1m的聚焦镜所获得的。改变式中w0的大小，可获得不同光斑大小和光斑形态的Donut模式。计算即可得出整形镜700上相位分布。通过Matlab对相位分布进行曲面拟合，可设计得到本发明的整形镜700的结构参数。
所述高功率射频板条CO2激光器包括：谐振腔、窗口镜200、转折镜300、球面镜400、空间滤波器500和柱面镜600，光束(带箭头虚线表示)从谐振腔中射出，依次经过窗口镜200到达转折镜300，所述转折镜300将光束转折并到达球面镜400，球面镜400一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，焦点处设置有空间滤波器500，所述空间滤波器500用于消除非稳方向上的旁瓣，所述柱面镜600处于非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，所述柱面镜600将光束反射至整形镜700中。
输出光束通过窗口镜200从谐振腔中出射。作为优化，所述谐振腔包括：尾镜110和耦合输出镜120，所述尾镜110和耦合输出镜120正对设置，所述耦合输出镜120将光束输出给窗口镜200。所述窗口镜200为金刚石材质，金刚石材质的窗口镜200具有良好的导热性能以及高机械强度。出射的简单像散光束经过转折镜300后到达球面镜400处，球面镜400一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，通过焦点处放置的空间滤波器500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600处于非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，柱面镜600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，通过柱面镜600反射的光束到达整形镜700，整形镜700将光束从高斯基模转换为Donut模式。
本发明的技术方案现有技术相比，能够取得下列有益效果：整形镜及Donut模式整形系统结构简单便于加工，且可将基模高斯光束整形为环形能量分布，具有携带和光轴相对应的轨道角动量的能力的Donut模式，减少了镜片中央高功率基模高斯光束的损坏，适合焊缝宽度较宽的场合。
而且，当需要恢复高斯基模光束的输出时，只需要将整形镜700更换为现有的球面镜即可，十分方便。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.整形镜，其特征在于，所述整形镜的反射面整体呈中部凸起、外围凹陷形状，所述反射面通过第一母线以一竖直线旋转而成，所述第一母线为一段圆弧线，所述第一母线的曲率半径为4200mm，所述一竖直线穿过第一母线的下端点，所述第一母线的上端点与第一母线的上端点之间的垂直距离为0.00625mm，所述第一母线的圆心角度数为0.04°。
2.高功率激光器Donut模式整形装置，其特征在于，包括：权利要求1所述的整形镜，还包括高功率射频板条CO2激光器，所述高功率射频板条CO2激光器用于输出模式为高斯基模的光束，所述光束输入到整形镜中。
3.据权利要求2所述的高功率激光器Donut模式整形装置，其特征在于，所述高功率射频板条CO2激光器包括：谐振腔、窗口镜、转折镜、球面镜、空间滤波器和柱面镜，光束从谐振腔中射出，依次经过窗口镜到达转折镜，所述转折镜将光束转折并到达球面镜，球面镜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，焦点处设置有空间滤波器，所述空间滤波器用于消除非稳方向上的旁瓣，所述柱面镜处于非稳方向和波导方向束腰半径相等的位置，所述柱面镜将光束反射至整形镜中。
4.根据权利要求3所述的高功率激光器Donut模式整形装置，其特征在于，所述谐振腔包括：尾镜和耦合输出镜，所述尾镜和耦合输出镜正对设置，所述耦合输出镜将光束输出给窗口镜。
5.根据权利要求3所述的高功率激光器Donut模式整形装置，其特征在于，所述窗口镜为金刚石材质。
6.根据权利要求2所述的高功率激光器Donut模式整形装置，其特征在于，所述高功率射频板条CO2激光器的输出波长为10.6μm。
CN201910487565.XA 2019-06-05 2019-06-05 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜 Active CN110376748B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910487565.XA CN110376748B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910487565.XA CN110376748B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110376748A true CN110376748A (zh) 2019-10-25
CN110376748B CN110376748B (zh) 2021-06-29

Family

ID=68249813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910487565.XA Active CN110376748B (zh) 2019-06-05 2019-06-05 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110376748B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113446984A (zh) * 2021-05-22 2021-09-28 西安电子科技大学 轨道角动量探测概率优化选择方法、系统、介质、终端
CN114460740A (zh) * 2022-01-21 2022-05-10 华中科技大学 一种单镜环形光斑光学系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2700986A1 (en) * 2012-08-24 2014-02-26 Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Device and method for enhancing the intensity of a laser beam
CN203630445U (zh) * 2013-12-25 2014-06-04 苏州德龙激光股份有限公司 激光整形装置
CN204832691U (zh) * 2015-08-25 2015-12-02 淮阴师范学院 一种激光器光路整形系统
CN106814463A (zh) * 2016-12-29 2017-06-09 华中科技大学 一种应用于大功率射频板条co2激光器的自适应调节空间滤波器
CN109676246A (zh) * 2019-01-26 2019-04-26 江苏先河激光研究院有限公司 分体式激光聚焦装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2700986A1 (en) * 2012-08-24 2014-02-26 Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Device and method for enhancing the intensity of a laser beam
CN203630445U (zh) * 2013-12-25 2014-06-04 苏州德龙激光股份有限公司 激光整形装置
CN204832691U (zh) * 2015-08-25 2015-12-02 淮阴师范学院 一种激光器光路整形系统
CN106814463A (zh) * 2016-12-29 2017-06-09 华中科技大学 一种应用于大功率射频板条co2激光器的自适应调节空间滤波器
CN109676246A (zh) * 2019-01-26 2019-04-26 江苏先河激光研究院有限公司 分体式激光聚焦装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113446984A (zh) * 2021-05-22 2021-09-28 西安电子科技大学 轨道角动量探测概率优化选择方法、系统、介质、终端
CN113446984B (zh) * 2021-05-22 2022-04-19 西安电子科技大学 轨道角动量探测概率优化选择方法、系统、介质、终端
CN114460740A (zh) * 2022-01-21 2022-05-10 华中科技大学 一种单镜环形光斑光学系统
CN114460740B (zh) * 2022-01-21 2023-03-28 华中科技大学 一种单镜环形光斑光学系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN110376748B (zh) 2021-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103246067B (zh) 高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用
US5373395A (en) Optical system to obtain uniform illumination from diode laser
KR102047612B1 (ko) 레이저광 정형 및 파면 제어용 광학계
CN203124969U (zh) 基于自适应光学的激光微细加工设备
CN112782799B (zh) 衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统
CN203526795U (zh) 双光束激光加工头
CN110376748A (zh) 高功率激光器Donut模式整形装置和整形镜
CN107272213B (zh) 一种激光束匀化扩束整形装置
CN114460740B (zh) 一种单镜环形光斑光学系统
WO2019024359A1 (zh) 激光光束匀化装置及方法
CN110554510A (zh) 一种透射式衍射光学元件的光学成像系统
CN101931160B (zh) 一种激光增益介质
CN111474709A (zh) 一种耦合水束光纤的激光束聚焦方法及系统
CN110658631A (zh) 一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置
CN104459999A (zh) 成像流式细胞仪的照明系统
CN202616596U (zh) 一种输出实心光束的激光非稳腔
CN114406450B (zh) 一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法
CN217122085U (zh) 一种生成多焦点可调环光斑的激光焊接系统
CN102684052B (zh) 一种输出实心光束的激光非稳腔及其应用
CN203217180U (zh) 1064nm/532nm双波段扩束镜
CN103901509A (zh) 一种产生单个局域空心光束的led透镜
CN210281088U (zh) 一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统
CN210587641U (zh) 一种长工作距的激光光束整形器件
CN109244817B (zh) 一种基于输出光束环形能量分布的co2激光器输出系统
CN206601533U (zh) 多维度标示激光模组及激光发射装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Tang Xiahui

Inventor after: Zou Feng

Inventor after: Peng Hao

Inventor after: Liu Zanyong

Inventor after: Zhang Xuhui

Inventor before: Tang Xiahui

Inventor before: Zou Feng

Inventor before: Peng Hao

Inventor before: Liu Zanyong

Inventor before: Zhang Xuhui

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant