CN112612141A - 一种光束整形的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束整形的光学系统，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；其中，高斯分布的线偏振光以45°入射角入射到偏振平板分束镜，分离为偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，第一光束经过螺旋相位板后能量分布由高斯分布变为环形分布，得到涡旋光；第二光束保持高斯分布不变，第一光束和第二光束分别在两个光路上等距传输至第一偏振分光棱镜进行合束，第一偏振分光棱镜通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑。该光学系统可以对光束进行整形从而获得能量分布均匀，抗失调特性优良的类平顶圆形光斑，适用于激光熔覆等多种激光加工领域。

Description

一种光束整形的光学系统

技术领域

本发明属于激光光学应用领域，更具体地，涉及一种光束整形的光学系统。

背景技术

普通高斯光束的能量分布是由中心向边缘递减的，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，功率大则中心能量过高，容易出现烧蚀、气孔等现象，而功率低则边缘能量不足会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。所以能量均匀分布的光斑在激光光学应用领域更具优势，故研究一种光束整形的光学系统具有重要意义。

现有的光束整形技术通常选择衍射光学元件来获得平顶圆形光斑，平顶圆形光斑的能量分布相对高斯能量分布具有高均匀性，但是这种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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光束整形的光学系统，其目的在于解决现有技术无法稳定的获得能量均匀分布的光斑的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光束整形的光学系统，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；

偏振平板分束镜用于将能量呈高斯分布的线偏振光分离为偏振方向相互垂直的两束光，分别记为第一光束和第二光束；

其中，线偏振光以45°的入射角入射到偏振平板分束镜中；螺旋相位板和第一全反镜片依次设置在第一光束的光路上；第二全反镜片设置在第二光束的光路上；

螺旋相位板用于将第一光束的能量分布由高斯分布转换为环形分布，得到涡旋光；

第一全反镜片用于将涡旋光反射至第一偏振分光棱镜上；

第二全反镜片用于将第二光束反射至第一偏振分光棱镜上；

第一偏振分光棱镜用于将涡旋光和第二光束进行合束，通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑；

第二光束和第一光束从偏振平板分束镜到第一偏振分光棱镜的光路距离相等，以使第二光束与涡旋光的能量比例保持固定。

进一步优选地，上述光束整形的光学系统，还包括：二分之一波片和第二偏振分光棱镜；

二分之一波片和第二偏振分光棱镜依次放置在第二光束的光路上，位于上述第二全反镜片和第一偏振分光棱镜之间；通过旋转二分之一波片调节上述第二光束与涡旋光的能量比例。

进一步优选地，上述线偏振光的波长与功率与偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜相匹配。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数不同，第二光束与涡旋光的能量比例不同；通过调整上述螺旋相位板的拓扑数控制上述类平顶圆光斑的直径和能量。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数为1时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.66:1。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数为2时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.37:1。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数为3时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.31:1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种光束整形的光学系统，其中，高斯分布的线偏振光以45°入射角入射到偏振平板分束镜，分离为偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，第一光束经过螺旋相位板后能量分布由高斯分布变为环形分布，得到涡旋光；第二光束保持高斯分布不变，第一光束和第二光束分别在两个光路上等距传输至第一偏振分光棱镜进行合束，第一偏振分光棱镜通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成能量均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑。

2、本发明所提供的一种光束整形的光学系统，还包括依次放置在第二光束的光路上，且位于上述第二全反镜片和第一偏振分光棱镜之间的二分之一波片和第二偏振分光棱镜，由于从二分之一波片出射的第二光束的偏振方向发生了改变，经第二偏振分光棱镜被分离为两束偏振方向相互垂直的光束，而第二偏振分光棱镜只允许水平偏振方向的光透过，故可以通过旋转二分之一波片来调整该第二光束所在光路输出能量的大小，从而实现第二光束与涡旋光束能量比例可调的功能；另外，该二分之一波片角度方向可连续旋转，可以实现任意光强配比。

3、在本发明所提供的一种光束整形的光学系统中，由于螺旋相位板的拓扑数不同，第二光束与涡旋光的能量比例不同，可以选择不同拓扑数的螺旋相位板，实现类平顶圆光斑直径及功率大小可变，从而获得不同尺寸的类平顶圆光斑，便于加工不同材料时可根据需求灵活调整。

4、本发明所提供的一种光束整形的光学系统，可以获得能量分布均匀的类平顶圆光斑，能有效避免激光加工过程中因功率过低导致加工不完全或功率过高导致烧蚀等不良现象，能够提高加工产品的品质。

5、本发明所提供的一种光束整形的光学系统，可以获得抗失调特性良好的类平顶圆光斑，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。

6、本发明所提供的一种光束整形的光学系统，简洁易搭建，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是本发明所提供的一种光束整形的光学系统结构示意图；

图2是本发明所提供的包含二分之一波片和第二偏振分光棱镜的光束整形的光学系统结构示意图；

图3是本发明所提供的光束整形的光学系统中偏振平板分束镜的原理示意图；

图4是本发明所提供的光束整形的光学系统中螺旋相位板的结构示意图；

图5是本发明所提供的光束整形的光学系统中偏振分光棱镜的原理示意图；

图6是本发明所提供的波长为1064nm呈高斯分布的线偏振光的光场分布示意图；其中，(a)是线偏振光的截面光场分布图；(b)是线偏振光的三维光场分布图；

图7是本发明所提供的涡旋光的光场分布示意图；其中，(a)是涡旋光的截面光场分布图；(b)是涡旋光的三维光场分布图；

图8是本发明所提供的经二分之一波片和第二偏振分光棱镜调整后S光的光场分布示意图；其中，(a)是S光的截面光场分布图；(b)是S光的三维光场分布图；

图9是本发明所提供的类平顶圆形光斑的光场分布示意图；其中，(a)是类平顶圆形光斑的截面光场分布图；(b)是类平顶圆形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结构，其中：

2为偏振平板分束镜，3为螺旋相位板，4为第一全反镜片，5为第二全反镜片，6为第一偏振分光棱镜，7为二分之一波片，8为第二偏振分光棱镜。

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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光束整形的光学系统，如图1所示，包括：偏振平板分束镜2、螺旋相位板3、第一全反镜片4、第二全反镜片5和第一偏振分光棱镜6；

偏振平板分束镜2用于将能量呈高斯分布的线偏振光分离为偏振方向分别为水平偏振和垂直偏振的两束光；其中一束光记为第一光束，另外一束光记为第二光束；

其中，线偏振光1以45°的入射角入射到偏振平板分束镜2中；螺旋相位板3和第一全反镜片4依次设置在第一光束的光路上；第二全反镜片5设置在第二光束的光路上；

螺旋相位板3用于将第一光束的能量分布由高斯分布转换为环形分布，得到涡旋光；

第一全反镜片4用于将涡旋光反射至第一偏振分光棱镜5上；

第二全反镜片5用于将第二光束反射至第一偏振分光棱镜6上；

第一偏振分光棱镜6用于将涡旋光和第二光束进行合束，通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑；

在上述光束整形的光学系统中，第二光束和第一光束从偏振平板分束镜2到第一偏振分光棱镜6的光路距离相等，以使第二光束与涡旋光的能量比例保持固定。

具体的，高斯分布的线偏振光1以45°入射角入射到偏振平板分束镜2，分离为水平偏振的P光和垂直偏振的S光，其中一路光束经过一定拓扑数的螺旋相位板，等距传输后再由第一偏振分光棱镜6进行合束，通过将及高斯分布的光束和一定拓扑数的涡旋光束叠加从而实现能量均匀且抗失调特性良好的类平顶圆光斑。

优选地，如图2所示，上述光束整形的光学系统，还包括：二分之一波片7和第二偏振分光棱镜8；其中，二分之一波片7和第二偏振分光棱镜8依次放置在第二光束的光路上，位于上述第二全反镜片5和第一偏振分光棱镜6之间；通过旋转二分之一波片7调节上述第二光束与涡旋光的能量比例。需要说明的是，从二分之一波片7出射的第二光束的偏振方向发生了改变，经第二偏振分光棱镜8被分离为两束偏振方向相互垂直的光束，第二偏振分光棱镜8只允许水平偏振方向的光透过；故可以通过旋转二分之一波片来调整该分光路输出能量的大小，从而实现第二光束与涡旋光束能量比例可调的功能。进一步地，上述二分之一波片角度方向可连续旋转，实现任意光强配比。

需要说明的是，上述螺旋相位板的拓扑数不同，涡旋光的环形光斑的大小不同，第二光束与涡旋光的能量比例不同；通过调整上述螺旋相位板的拓扑数控制第二光束与涡旋光的能量比例，进而控制上述类平顶圆光斑的直径和功率，从而获得高均匀性的类平顶圆光斑。具体的，上述螺旋相位板的拓扑数为1时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.66:1；上述螺旋相位板的拓扑数为2时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.37:1；上述螺旋相位板的拓扑数为3时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.31:1。

以图2所示的光束整形的光学系统为例进行说明，本实施例中，选用拓扑数为1的螺旋相位板，第一光束为P光，第二光束为S光。P光入射到螺旋相位板3，出射光变为拓扑数为1的涡旋光。S光的能量保持高斯分布不变，S光经由第二全反镜片5改变方向后，经过二分之一波片7，偏振方向发生改变，再由第二偏振分光棱镜8分离所需能量比例的S光，能量比例由二分之一波片7的旋转角度决定，通过观察输出的类平顶圆光斑来实时调整S光的能量大小。涡旋光由第一全反镜片4改变方向后，再经过同等距离的传输，最后通过第一偏振分光棱镜6与S光叠加合成所需输出的类平顶圆光斑。

如图3所示为上述光束整形的光学系统中偏振平板分束镜的原理示意图。偏振平板分束镜是偏振分束元件，使用激光等直线偏光时，反射率和透过率随偏光方向变化，要调整分束比为1：1，则需45°倾斜偏光方向，使入射光以45°入射角入射。45°入射角的设定使元件更容易安装，元件角度可以灵活调节，但可实现的消光比会有所降低。本实施例中，偏振平板分束镜是一个前表面镀有窄带分束膜的平行平面基板，线偏振光1以45°的入射角入射后，偏振平板分束镜将S偏振光以45°角反射，P偏振光透射，两个反射带恰好互相补偿，使得P偏振分量高透，同时S偏振分量高反。偏振平板分束镜表面的硬质膜相对于普通镀膜具有更高的损伤阈值，对于需要高消光比、高透射和高损伤阈值的应用，该光学元件比偏振分光棱镜更加合适。

如图4所示为上述光束整形的光学系统中螺旋相位板的结构示意图，具体为一种圆形螺旋相位板。螺旋相位板是一种衍射光学元件，用于进行相位调制，是一种具有固定折射率的透明板，其一面是平面结构，相对面是高度随方位角变化的具有螺旋形状的台阶结构；根据衍射光学元件的相位分布、材料折射率可以直接参考现有技术计算出螺旋相位板的台阶增加的厚度；衍射光学元件的厚度一般为微米量级，可以忽略不计，因此螺旋相位板对光强的影响可以忽略。进一步地，螺旋相位板的厚度随着方位角的变化而变化，入射光束通过螺旋相位板后，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发生相应变化，出射光束被附加一个螺旋相位因子exp(ilθ)，其中l为螺旋相位板的拓扑数，可随着两个衍射光学元件的角度差值θ变化，i代表复数符号，从而变为涡旋光束。所得环形光斑的大小受拓扑数影响，拓扑数越大，所得环形光斑中心能量凹陷的区域越大，光斑直径也越大。

如图5所示为上述光束整形的光学系统中偏振分光棱镜的原理示意图。偏振分光棱镜是一种分束元件，在直角棱镜斜面镀制多层膜结构再胶合而成立方晶体，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，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)。根据该原理，偏振分光棱镜既可用于分束也可用于合束，本发明生成光束整形的光学系统中第二偏振分光棱镜8用于分束，第一偏振分光棱镜6用于合束。

进一步地，以波长为1064nm呈高斯分布的线偏振光为例进行说明，具体的，如图6所示是波长为1064nm呈高斯分布的线偏振光的光场分布示意图，其中，图(a)是线偏振光的截面光场分布图，图(b)是线偏振光的三维光场分布图。该线偏振光以45°入射角入射到偏振平板分束镜后，被分离为水平偏振的P光和垂直偏振的S光，透过的P光经过拓扑数为1的螺旋相位板后能量由高斯分布变为环形分布，形成涡旋光；被反射的S光保持高斯分布不变，经二分之一波片和第二偏振分光棱镜调整后，S光与涡旋光的能量比例为0.66，等距传输至第一偏振分光棱镜进行合束，从而获得类平顶圆形光斑。本实施例中，涡旋光的光场分布示意图如图7所示，其中，图(a)是涡旋光的截面光场分布图，图(b)是涡旋光的三维光场分布图。经二分之一波片和第二偏振分光棱镜调整后S光的光场分布示意图如图8所示；其中，图(a)是S光的截面光场分布图，图(b)是S光的三维光场分布图；类平顶圆形光斑的光场分布示意图如图9所示；其中，图(a)是类平顶圆形光斑的截面光场分布图，图(b)是类平顶圆形光斑的三维光场分布图。其中，上述光场分布图中的纵坐标(magnitude)均表示光场强度。

综上，本发明提供了一种光束整形的光学系统，通过光学系统的组件及各个组件之间的配合来对光场进行调控，从而获得能量分布均匀且抗失调特性良好的类平顶圆形光斑，其能量分布均匀性不仅高于高斯能量分布，并且光斑稳定性强于传统平顶圆形光斑，在一定焦深范围内都能维持均匀的能量分布，可以解决光束敏感的问题，同时也可以改善实际激光加工过程中因温度或能量不均匀导致的各种加工缺陷，能有效提高加工产品是质量和精度，并适用于激光熔覆、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。另外，本发明可以选择不同拓扑数的螺旋相位板，实现类平顶圆光斑直径及功率大小可变，从而获得不同尺寸的类平顶圆光斑，便于在加工不同材料时可根据需求灵活调整。

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。

Claims (7)

1.一种光束整形的光学系统，其特征在于，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；

所述偏振平板分束镜用于将能量呈高斯分布的线偏振光分离为偏振方向相互垂直的两束光，分别记为第一光束和第二光束；

其中，所述线偏振光以45°的入射角入射到所述偏振平板分束镜中；所述螺旋相位板和所述第一全反镜片依次设置在所述第一光束的光路上；所述第二全反镜片设置在所述第二光束的光路上；

所述螺旋相位板用于将所述第一光束的能量分布由高斯分布转换为环形分布，得到涡旋光；

所述第一全反镜片用于将所述涡旋光反射至所述第一偏振分光棱镜上；

所述第二全反镜片用于将所述第二光束反射至所述第一偏振分光棱镜上；

所述第一偏振分光棱镜用于将所述涡旋光和所述第二光束进行合束，通过将能量呈环形分布的所述涡旋光和能量呈高斯分布的所述第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑；

所述第二光束和所述第一光束从所述偏振平板分束镜到所述第一偏振分光棱镜的光路距离相等。

2.根据权利要求1所述的光束整形的光学系统，其特征在于，还包括：二分之一波片和第二偏振分光棱镜；

所述二分之一波片和所述第二偏振分光棱镜依次放置在所述第二光束的光路上，位于所述第二全反镜片和所述第一偏振分光棱镜之间；通过旋转所述二分之一波片调节所述第二光束与所述涡旋光的能量比例。

3.根据权利要求2所述的光束整形的光学系统，其特征在于，所述线偏振光的波长与功率与所述偏振平板分束镜、所述螺旋相位板、所述第一偏振分光棱镜和所述第二偏振分光棱镜相匹配。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的光束整形的光学系统，其特征在于，所述螺旋相位板的拓扑数不同，所述第二光束与所述涡旋光的能量比例不同；通过调整所述螺旋相位板的拓扑数控制所述类平顶圆光斑的直径和能量。

5.根据权利要求4所述的光束整形的光学系统，其特征在于，所述螺旋相位板的拓扑数为1时，所述第二光束与所述涡旋光的能量比例为0.66:1。

6.根据权利要求4所述的光束整形的光学系统，其特征在于，所述螺旋相位板的拓扑数为2时，所述第二光束与所述涡旋光的能量比例为0.37:1。

7.根据权利要求4所述的光束整形的光学系统，其特征在于，所述螺旋相位板的拓扑数为3时，所述第二光束与所述涡旋光的能量比例为0.31:1。

Images