CN114905146B - 一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置及方法，包括激光光源，角向偏振光束产生器件，分光装置，相位延迟单元，第一半波片，第二半波片，第一衰减器，第二衰减器，第四反射镜，半透半反镜，线偏振片单元和聚焦透镜，激光光源产生2～5微米波段的中红外激光，激光经过角向偏振光束产生器件产生角向偏振激光，通过两个半波片后产生径向偏振激光，径向偏振和角向偏振激光合成可以输出柱偏振矢量光束。根据不同形状器件的加工要求选择其中一种偏振态的激光，并通过相位延迟单元、衰减器和线偏振片单元能调节聚焦后激光的光斑形状，从而适用于不同异形件的加工，同时,其无需声光移频器,使得整个装置结构简单，易于组装。

Description

一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置及方法
技术领域
本发明涉及一种中红外激光加工异形件的装置及方法，具体是一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置及方法，属于激光加工以及光束整形领域。
背景技术
偏振激光束由于其新颖的偏振形式和卓越的光束特性，已在科研界引起了研究者们的极大兴趣，其产生技术日渐成熟，并且在激光切割、激光焊接、激光雕刻等加工领域有着非常广阔的应用前景。研究表明，激光加工的参数很大程度上取决于光束的偏振特性，而偏振光束又分为均匀偏振和非均匀偏振，常见的均匀偏振光有线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光；常见的非均匀偏振光有径向偏振光、角向偏振光以及柱偏振矢量光束。
均匀偏振光束上每一点的偏振方向都一致，线偏振光束的偏振方向固定，椭圆偏振光束的偏振方向随时间沿椭圆的轨迹运动；非均匀偏振光束上每一点的偏振方向都不同，且具有中空的圆环型光束结构，能量呈轴对称分布，径向偏振光束的偏振方向垂直于圆的切线方向，角向偏振光束的偏振方向沿着圆的切线方向，柱偏振矢量光束的偏振方向介于径向偏振光和角向偏振光之间。
现有的激光加工技术中多用到高斯基横模激光束，其能量集中在中心，只能满足普通工件的加工要求，对于一些异形件的中红外激光加工，环形光束(即非均匀偏振光束)具有更高的加工效率；且在金属切割加工中，金属对常用的线偏振光束辐射吸收率较低，目前研究显示径向偏振光束的吸收率最高，能大大提高加工效率。不仅如此，具有特殊偏振方向的激光束对加工件表面具有一定的打磨效果，比用普通高斯基横模激光束加工的表面更光滑。
公开号为CN111679441A，名称为“基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法”的中国发明专利，其通过光学外差干涉法实现了线偏振高斯光的偏振方向高速连续旋转，进一步将偏振方向高速旋转的线偏振高斯光转化为高速转换的动态柱矢量偏振光，主要是产生径向偏振光束和角向偏振光束。但是该方案中所需的装置比较复杂，尤其是需要通过设置声光移频器，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，并且仅能产生两种贝塞尔高斯光束，不能满足多种不同异形件的加工需求；因此如何提供一种装置及方法，能根据需要产生多种不同偏振态及不同光斑形状的环形激光光束，从而满足不同异形件的加工需求，同时其所需装置结构简单，易于组装，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置及方法，能根据需要产生多种不同偏振态及不同光斑形状的环形激光光束，从而满足不同异形件的加工需求，同时，其无需声光移频器，使得整个装置结构简单，易于组装。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，包括激光光源，角向偏振光束产生器件，分光装置，相位延迟单元，第三反射镜，第一半波片，第二半波片，第一衰减器，第二衰减器，第四反射镜，半透半反镜，线偏振片单元和聚焦透镜，其中：
所述激光光源，用于提供高斯基横模激光，其偏振态随机分布；
所述角向偏振光束产生器件，用于将激光光源产生的基横模激光转换成角向偏振激光；
所述分光装置为非偏振分光棱镜单元或反射镜A，其中非偏振分光棱镜单元由非偏振分光棱镜和电动位移台组成，非偏振分光棱镜固定在电动位移台上，电动位移台能带动非偏振分光棱镜移动，使其处于或不处于角向偏振光束产生器件与相位延迟单元之间的光路上，若分光装置为非偏振分光棱镜单元，则当非偏振分光棱镜处于光路上时，非偏振分光棱镜不具有偏振选择性，用于将产生的角向偏振激光分为能量相同的两束角向偏振激光，其中一束经过非偏振分光棱镜透射后进入相位延迟单元，另一束经过非偏振分光棱镜反射后到达第三反射镜；当非偏振分光棱镜不处于光路上时，产生的角向偏振激光直接进入相位延迟单元；若分光装置为反射镜A，则产生的角向偏振激光经过反射镜A反射后到达第三反射镜；
所述相位延迟单元，用于延迟角向偏振激光的相位，其包括直角棱镜，第一反射镜和第二反射镜，进入相位延迟单元的角向偏振激光依次经过第一反射镜的反射、直角棱镜的反射和第二反射镜的反射后输出至第二衰减器，通过调整直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离能调整经过激光的相位延迟值；
所述第三反射镜，用于将经过的角向偏振激光偏转方向90°，使其到达第一半波片；
所述第一半波片和第二半波片处于同一光路上，角向偏振激光依次经过第一半波片和第二半波片后转换成径向偏振激光，并到达第一衰减器；
所述第一衰减器和第二衰减器，分别用于调控径向偏振激光的功率和角向偏振激光的功率；其中经过第一衰减器调控后的径向偏振激光到达第四反射镜；经过第二衰减器调控后的角向偏振激光到达半透半反镜；
所述第四反射镜，用于将经过的径向偏振激光偏转方向90°，使其到达半透半反镜；
所述半透半反镜，其反射率和透射率具有偏振无关性，且对角向偏振激或径向偏振激光的能量反射率和透射率都为50％，若仅有角向偏振激光经过半透半反镜时，则角向偏振激光透射后到达线偏振片单元；若仅有径向偏振激光经过半透半反镜时，则径向偏振激光反射后到达线偏振片单元；若同时有角向偏振激光和径向偏振激光经过半透半反镜时，则半透半反镜将两者合成形成柱偏振矢量激光，并到达线偏振片单元；
所述线偏振片单元，包括线偏振片和步进电机，线偏振片装在步进电机的转动轴上，通过控制步进电机的旋转角度能对线偏振片的偏振方向位置进行控制，使其根据不同的工件加工需要，偏振选择出径向偏振激光、角向偏振激光、柱偏振矢量激光中一种的任意偏振方向和光束空间分布的倾斜角度进行输出；
所述聚焦透镜，聚焦经过线偏振片单元偏振选择的激光光束用于工件的加工。本发明产生的激光束属于贝塞尔-高斯光束，柱坐标系下的贝塞尔-高斯光束矢量表达式为：
Figure BDA0003674753850000031
其中E0是常数，ω0为初始光斑半径，
Figure BDA0003674753850000032
波前曲率半径
Figure BDA0003674753850000033
k是波数，ψ(z)＝arctan(z/z0)是Gouy相位，高斯光束光斑半径
Figure BDA0003674753850000034
Figure BDA0003674753850000035
T(r,φ,z)由电场分量Te和磁场分量Tm组成：
Figure BDA0003674753850000036
Figure BDA0003674753850000037
Figure BDA0003674753850000038
其中，Jm(u)是第一类贝塞尔函数，
Figure BDA0003674753850000041
β是与波矢量横向分量有关的常数，iφ和ir是角向方向和径向方向的电场单位向量。
进一步，所述激光光源为工作在2～5μm波段的光纤或者固体激光器。
进一步，所述角向偏振光束产生器件为线栅偏振器、圆形光栅、亚波长光栅中的任意一种。
进一步，所述直角棱镜装在移动台上，通过移动台移动调整直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离，移动台的移动精度为50nm。这种结构能保证相位延迟单元对激光进行相位延迟的调节精度。
进一步，所述第一半波片和第二半波片的快轴呈45°放置。这样设置保证角向偏振激光转换成径向偏振激光的最佳效果。
进一步，所述第一衰减器和第二衰减器均为反射式衰减器，且两者的衰减倍数调节范围均为1～176倍，这种结构衰减的反射激光能用于其他激光加工需求，提高整个装置的激光利用率。
进一步，所述半透半反镜在光路中呈45°角放置。
进一步，所述线偏振片形状为圆形，材质为在2～5微米波段低损耗的CaF2，表面镀有2～5微米波段的宽带增透膜(透过率>96％)。这种参数能提高线偏振片的使用寿命及偏振调节效果。
进一步，所述步进电机的旋转精度为0.5°。这种旋转精度能保证对线偏振片的旋转角度的调节。
一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置的工作方法，具体步骤为：
步骤一、若需要径向偏振激光进行工件加工，先将分光装置确定为反射镜A，接着激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，角向偏振激光依次经过反射镜A反射和第三反射镜反射到达第一半波片，接着经过第一半波片和第二半波片的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器根据需要调节激光功率，再经过第四反射镜反射后产生所需功率的径向偏振激光，径向偏振激光经过半透半反镜的反射至线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，从而实现TEM01或TEM10横模激光光斑与线偏振片方向同步的旋转，其旋转速度的大小和方向与线偏振片同步，偏振选择出特定角度的径向偏振激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；
步骤二、若需要角向偏振激光进行工件加工，先将分光装置确定为非偏振分光棱镜单元，接着激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，调节电动位移台使得激光不经过非偏振分光棱镜单元直达相位延迟单元，相位延迟单元根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器根据需要调节激光功率，然后到达半透半反镜进行透射至线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，从而实现TEM01或TEM10横模激光光斑与线偏振片方向同步的旋转，其旋转速度的大小和方向与线偏振片同步，偏振选择出特定角度的角向偏振激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；
步骤三、若需要柱偏振矢量激光进行工件加工，先将分光装置确定为非偏振分光棱镜单元，激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，调节电动位移台使得角向偏振激光经过非偏振分光棱镜单元分为透射和反射两路能量相同的光束，其中透射路的角向偏振激光进入相位延迟单元，相位延迟单元根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器根据需要调节激光功率，然后到达半透半反镜；反射路的角向偏振激光经过第三反射镜反射到达第一半波片，接着经过第一半波片和第二半波片的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器根据需要调节激光功率，再经过第四反射镜反射后产生所需功率的径向偏振激光到达半透半反镜，半透半反镜对角向偏振激光的透射部分和对径向偏振激光反射部分使两者发生相干合成柱偏振矢量激光，柱偏振矢量激光进入线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，偏振选择出特定角度的柱偏振矢量激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；其中通过调节直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离能控制透射路角向偏振激光和反射路径向偏振激光之间的相位延迟值以及调节第一衰减器和第二衰减器的衰减比来产生不同空间分布的激光。
在上述基础上，如有需要可以在角向偏振光路增加一条光路，同时加上线偏振片，在两条光路的线偏振片后叠加两路激光，可以产生更多横模模式，通过增加相位扰动还能发生非相干叠加，产生类TEM11的四瓣更高阶的横模模式激光；通过调控两个线偏振片的旋转角度及其旋度速度的大小和方向，可进一步得到其他随时间动态可变的更加复杂的空间模式。
与现有技术相比，本发明采用激光光源，角向偏振光束产生器件，分光装置，相位延迟单元，第三反射镜，第一半波片，第二半波片，第一衰减器，第二衰减器，第四反射镜，半透半反镜，线偏振片单元和聚焦透镜相结合方式，具有如下优点：
1、本发明不仅能通过调节径向偏振激光及角向偏振激光的相位差来改变光斑形状，还能通过改变径向和角向偏振激光的振幅比来改变光斑形状，从而根据需要产生多种光斑形状的激光束，包括TEM01横模光束、TEM10横模光束、四瓣光斑相干合成产生环形光束，非相干即是普通的四瓣形激光束，满足不同形状的器件加工需求，实现器件最终加工形状；
2、本发明能够根据需要产生多种偏振态的激光束，包括径向偏振激光、角向偏振激光、径向和角向偏振相干合成的柱偏振矢量激光，根据材料对不同偏振态激光的吸收率不同，选择特定偏振态空间分布的激光从而提高加工速率；
3、本发明通过调节线偏振片的方向，即可以快速准确实现不同角度光斑形状和偏振状态的切换，可实现TEM01或TEM10横模激光光斑与线偏振片方向同步的旋转，其旋转速度的大小和方向与线偏振片同步，能够提高激光加工、激光打印以及激光焊接的斜率。
附图说明
图1是本发明异形件中红外激光加工和焊接的光束整形装置图；
图2是本发明实施例1用于异形件中红外激光加工和焊接的径向偏振激光产生装置图；
图3是本发明实施例1径向偏振激光光斑的仿真结果；
图4是本发明实施例1径向偏振激光经过旋转的线偏振片后的光斑仿真结果；
图5是本发明实施例2用于异形件中红外激光加工和焊接的角向偏振激光产生装置图；
图6是本发明实施例2角向偏振激光光斑的仿真结果；
图7是本发明实施例2角向偏振激光经过旋转的线偏振片后的光斑仿真结果；
图8是本发明实施例3用于异形件中红外激光加工和焊接的柱偏振矢量激光产生装置图；
图9是本发明实施例3改变相移的柱偏振矢量激光及经过旋转的线偏振片后的激光光斑的仿真结果；
图10是本发明实施例4改变振幅比的柱偏振矢量激光及经过旋转的线偏振片后的激光光斑仿真结果。
图中：1、激光光源，2、角向偏振光束产生器件，3、非偏振分光棱镜单元，301、非偏振分光棱镜，302、电动位移台，4、相位延迟单元，401、直角棱镜，402、第一反射镜，403、第二反射镜，5、第三反射镜，6、第一半波片，7、第二半波片，8、第一衰减器，9、第二衰减器，10、第四反射镜，11、半透半反镜，12、线偏振片单元，1201、线偏振片，1202、步进电机，13、聚焦透镜，14、CCD图像传感器。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图2所示，本实施例采用的中红外激光光束整形装置，具体包括激光光源1，角向偏振光束产生器件2，分光装置，相位延迟单元4，第三反射镜5，第一半波片6，第二半波片7，第一衰减器8，第二衰减器9，第四反射镜10，半透半反镜11，线偏振片单元12和聚焦透镜13，CCD图像传感器14，其中：
所述激光光源1为2μm波段光纤或固体激光器，用于提供高斯基横模激光，其偏振态随机分布；
所述角向偏振光束产生器件2为圆形光栅，是一阶光栅，光栅周期满足其适用波长在2μm波段，用于将激光光源1产生的基横模激光转换成角向偏振激光；
所述分光装置为反射镜A，其能将产生的角向偏振激光经过反射镜A反射后到达第三反射镜5；
所述相位延迟单元4，用于延迟角向偏振激光的相位，其包括直角棱镜401，第一反射镜402和第二反射镜403，进入相位延迟单元4的角向偏振激光依次经过第一反射镜402的反射、直角棱镜401的折射和第二反射镜403的反射后输出至第二衰减器9，直角棱镜401装在移动台上，通过移动台移动调整直角棱镜401与第一反射镜402和第二反射镜403之间的距离能调整经过激光的相位延迟值；移动台的移动精度为50nm。
所述第三反射镜5，用于将经过的角向偏振激光偏转方向90°，使其到达第一半波片6；
所述第一半波片6和第二半波片7的快轴呈45°放置且处于同一光路上，角向偏振激光依次经过第一半波片6和第二半波片7后转换成径向偏振激光，并到达第一衰减器8；
所述第一衰减器8和第二衰减器9为反射式衰减器且两者的衰减倍数调节范围均为1～176倍，分别用于调控径向偏振激光的功率和角向偏振激光的功率；其中经过第一衰减器8调控后的径向偏振激光到达第四反射镜10；经过第二衰减器9调控后的角向偏振激光到达半透半反镜11；
所述第四反射镜10，用于将经过的径向偏振激光偏转方向90°，使其到达半透半反镜；
所述半透半反镜11的对2μm波段的透射率和反射率都为50％，在光路中呈45°角放置。
所述线偏振片单元12，包括线偏振片1201和步进电机1202，线偏振片1201装在步进电机的转动轴上，通过控制步进电机1202的旋转角度能对线偏振片1201的偏振方向位置进行控制，所述线偏振片1201形状为圆形，材质为在2～5微米波段低损耗的CaF2，表面镀有2～5微米波段的宽带增透膜(透过率>96％)。
上述第一反射镜402、第二反射镜403、第三反射镜5、第四反射镜10和反射镜A均镀有2μm波段的高反射率膜。
所述聚焦透镜13的曲率半径为100mm，镀有2μm波段的增透膜，聚焦经过线偏振片单元12偏振选择的激光光束用于工件的加工。
CCD图像传感器14，用于对聚焦输出的激光进行测量检验其偏振态，其测量波段为2～5μm。
本发明产生的激光束属于矢量贝塞尔-高斯光束，柱坐标系下的贝塞尔-高斯光束的矢量表达式为：
Figure BDA0003674753850000081
其中E0是常数，ω0为初始光斑半径，
Figure BDA0003674753850000082
波前曲率半径
Figure BDA0003674753850000083
k是波数，ψ(z)＝arctan(z/z0)是Gouy相位，高斯光束光斑半径
Figure BDA0003674753850000084
Figure BDA0003674753850000085
T(r,φ,z)由电场分量Te和磁场分量Tm组成：
Figure BDA0003674753850000091
Figure BDA0003674753850000092
Figure BDA0003674753850000093
其中，Jm(u)是第一类贝塞尔函数，
Figure BDA0003674753850000094
β是与波矢量横向分量有关的常数，iφ和ir是角向方向和径向方向的电场单位向量。
为了更进一步的说明本实施例产生径向偏振激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图2所示，激光光源1产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件2后产生角向偏振激光，角向偏振激光依次经过反射镜A反射和第三反射镜5反射到达第一半波片6，接着经过第一半波片6和第二半波片7的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器8根据需要调节激光功率，再经过第四反射镜10反射后产生所需功率的径向偏振激光，径向偏振激光经过半透半反镜11的反射至线偏振片单元12，反射后的激光光斑仿真结果见图3，图中箭头表示某一时刻的径向偏振激光的偏振态分布；控制步进电机1202旋转线偏振片1201，使其旋转角度分别至0°、45°、90°、135°，偏振选择出特定角度的径向偏振激光经过聚焦透镜13聚焦后；通过CCD图像传感器14能检测聚焦后的激光束，显示激光光斑，径向偏振激光经过线偏振片1201的仿真结果见图4，白色箭头表示线偏振片1201的方向。
实施例2：
如图5所示，本实施例采用的中红外激光光束整形装置，其结构与实施例1相似，区别仅在于，所述分光装置为非偏振分光棱镜单元3，其由非偏振分光棱镜301和电动位移台302组成，非偏振分光棱镜301固定在电动位移台302上，电动位移台能带动非偏振分光棱镜301移动，移动精度为0.01mm，使其处于或不处于角向偏振光束产生器件2与相位延迟单元4之间的光路上；
为了更进一步的说明本实施例产生径向偏振激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图5所示，激光光源1产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件2后产生角向偏振激光，调节电动位移台302使得激光不经过非偏振分光棱镜单元3直达相位延迟单元4，相位延迟单元4根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器9根据需要调节激光功率，然后到达半透半反镜11进行透射至线偏振片单元12，透射后的激光光斑仿真结果见图6，图中箭头表示某一时刻的角向偏振激光的偏振态分布；控制步进电机1202旋转线偏振片1201，使其旋转角度分别至0°、45°、90°、135°，偏振选择出特定角度的角向偏振激光经过聚焦透镜13聚焦后；通过CCD图像传感器14能检测聚焦后的激光束，显示激光光斑，角向偏振激光经过线偏振片1201的仿真结果见图7，白色箭头表示线偏振片1201的方向。
实施例3：
如图8所示，本实施例采用的中红外激光光束整形装置，其结构与实施例2相似，区别仅在于，所述激光光源1为3μm波段光纤或固体激光器，所述角向偏振光束产生器件2为圆形光栅，是一阶光栅，光栅周期满足其适用波长在3μm波段；所述半透半反镜11对3μm波段的透射率和反射率都为50％。
为了更进一步的说明本实施例产生柱偏振矢量激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图8所示，激光光源1产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件2后产生角向偏振激光，调节电动位移台302使得角向偏振激光经过非偏振分光棱镜单元3分为透射和反射两路能量相同的光束，其中透射路的角向偏振激光进入相位延迟单元4，相位延迟单元4根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器9，然后到达半透半反镜11；反射路的角向偏振激光经过第三反射镜5反射到达第一半波片6，接着经过第一半波片6和第二半波片7的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器8，再经过第四反射镜10反射后产生所需功率的径向偏振激光到达半透半反镜11，半透半反镜11对角向偏振激光透射，同时对径向偏振激光反射使两者发生相干合成柱偏振矢量激光，柱偏振矢量激光进入线偏振片单元12，通过相位延迟单元4对相位延迟进行调节，具体为：调节直角棱镜401与第一反射镜402和第二反射镜403之间的距离，改变透射路和反射路激光束的光程差Δd，则相位差
Figure BDA0003674753850000101
其中λ为激光波长，当
Figure BDA0003674753850000102
为0时，两路激光相干合成为如图9(a)所示的柱偏振矢量激光；当
Figure BDA0003674753850000103
为π时，两路激光相干合成为如图9(b)所示的柱偏振矢量激光，图中箭头表示某一时刻的柱偏振矢量激光的偏振态分布；
接着，控制步进电机1202旋转线偏振片1201，使其旋转角度分别至0°和45°，偏振选择出特定角度的柱偏振矢量激光经过聚焦透镜13聚焦后；通过CCD图像传感器14能检测聚焦后的激光束，显示激光光斑，两种柱偏振矢量激光经过0°线偏振片1201的仿真结果分别见图9(a1)和图9(b1)，经过45°线偏振片1201的仿真结果分别见图9(a2)和图9(b2)，白色箭头表示线偏振片1201的方向，由此可见，本发明不仅能通过调节线偏振片1201的方向，还能通过调节径向偏振激光及角向偏振激光的相位差来改变光斑形状。
实施例4：
如图8所示，实施例4采用的中红外激光光束整形装置，其结构与实施例3完全相同。
为了更进一步的说明本实施例产生柱偏振矢量激光的方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图8所示，激光光源1产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件2后产生角向偏振激光，调节电动位移台302使得角向偏振激光经过非偏振分光棱镜单元3分为透射和反射两路能量相同的光束，其中透射路的角向偏振激光进入相位延迟单元4，相位延迟单元4根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器9，然后到达半透半反镜11；反射路的角向偏振激光经过第三反射镜5反射到达第一半波片6，接着经过第一半波片6和第二半波片7的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器8，再经过第四反射镜10反射后产生所需功率的径向偏振激光到达半透半反镜11，半透半反镜11对角向偏振激光透射，同时对径向偏振激光反射使两者发生相干合成柱偏振矢量激光，柱偏振矢量激光进入线偏振片单元12，通过第一衰减器8和第二衰减器9分别对径向偏振激光和角向偏振激光的功率进行调节，具体为：保持角向偏振激光不衰减，调节第一衰减器8的衰减倍数，当径向偏振激光衰减至原功率的一半，此时角向和径向偏振激光的振幅比为2：1，两路激光相干合成为如图10(a)所示的柱偏振矢量激光，图中箭头表示某一时刻的柱偏振矢量激光的偏振态分布；当径向偏振激光和角向偏振激光均不衰减或者同步衰减，此时角向和径向偏振激光的振幅比为1：1，两路激光相干合成为如图10(b)所示的柱偏振矢量激光；保持径向偏振激光不衰减，调节第二衰减器9的衰减倍数，当角向偏振激光衰减至原功率的一半，此时角向和径向偏振激光的振幅比为1：2，两路激光相干合成为如图10(c)所示的柱偏振矢量激光；
最后，控制步进电机1202旋转线偏振片1201至45°，CCD图像传感器14会检测经过聚焦透镜13聚焦的激光束，显示激光光斑，三种不同振幅比激光合成的柱偏振矢量激光经过线偏振片1201的仿真结果分别见图10(a1)、(b1)和(c1)，白色箭头表示线偏振片1201的方向，由此可见，本发明不仅能通过调节线偏振片1201的方向，还能通过改变径向和角向偏振激光的振幅比来改变光斑形状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，包括激光光源，角向偏振光束产生器件，分光装置，相位延迟单元，第三反射镜，第一半波片，第二半波片，第一衰减器，第二衰减器，第四反射镜，半透半反镜，线偏振片单元和聚焦透镜，其中：
所述激光光源，用于提供高斯基横模激光，其偏振态随机分布；
所述角向偏振光束产生器件，用于将激光光源产生的基横模激光转换成角向偏振激光；
所述分光装置为非偏振分光棱镜单元或反射镜A，其中非偏振分光棱镜单元由非偏振分光棱镜和电动位移台组成，非偏振分光棱镜固定在电动位移台上，电动位移台能带动非偏振分光棱镜移动，使其处于或不处于角向偏振光束产生器件与相位延迟单元之间的光路上，若分光装置为非偏振分光棱镜单元，则当非偏振分光棱镜处于光路上时，用于将产生的角向偏振激光分为能量相同的两束角向偏振激光，其中一束经过非偏振分光棱镜透射后进入相位延迟单元，另一束经过非偏振分光棱镜反射后到达第三反射镜；当非偏振分光棱镜不处于光路上时，产生的角向偏振激光直接进入相位延迟单元；若分光装置为反射镜A，则产生的角向偏振激光经过反射镜A反射后到达第三反射镜；
所述相位延迟单元，用于延迟角向偏振激光的相位，其包括直角棱镜，第一反射镜和第二反射镜，进入相位延迟单元的角向偏振激光依次经过第一反射镜的反射、直角棱镜的反射和第二反射镜的反射后输出至第二衰减器，通过调整直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离能调整经过激光的相位延迟值；
所述第三反射镜，用于将经过的角向偏振激光偏转方向90°，使其到达第一半波片；
所述第一半波片和第二半波片处于同一光路上，角向偏振激光依次经过第一半波片和第二半波片后转换成径向偏振激光，并到达第一衰减器；
所述第一衰减器和第二衰减器，分别用于调控径向偏振激光的功率和角向偏振激光的功率；其中经过第一衰减器调控后的径向偏振激光到达第四反射镜；经过第二衰减器调控后的角向偏振激光到达半透半反镜；
所述第四反射镜，用于将经过的径向偏振激光偏转方向90°，使其到达半透半反镜；
所述半透半反镜，其反射率和透射率具有偏振无关性，且对角向偏振激或径向偏振激光的能量反射率和透射率都为50％，若仅有角向偏振激光经过半透半反镜时，则角向偏振激光透射后到达线偏振片单元；若仅有径向偏振激光经过半透半反镜时，则径向偏振激光反射后到达线偏振片单元；若同时有角向偏振激光和径向偏振激光经过半透半反镜时，则半透半反镜将两者合成形成柱偏振矢量激光，并到达线偏振片单元；
所述线偏振片单元，包括线偏振片和步进电机，线偏振片装在步进电机的转动轴上，通过控制步进电机的旋转角度能对线偏振片的偏振方向位置进行控制，使其根据不同的工件加工需要，偏振选择出径向偏振激光、角向偏振激光、柱偏振矢量激光中一种的任意偏振方向和光束空间分布的倾斜角度进行输出；
所述聚焦透镜，聚焦经过线偏振片单元偏振选择的激光光束用于工件的加工。
2.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述激光光源为工作在2～5μm波段的光纤或者固体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述角向偏振光束产生器件为线栅偏振器、圆形光栅、亚波长光栅中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述直角棱镜装在移动台上，通过移动台移动调整直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离，移动台的移动精度为50nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述第一半波片和第二半波片的快轴呈45°放置。
6.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述第一衰减器和第二衰减器均为反射式衰减器，且两者的衰减倍数调节范围均为1～176倍。
7.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述半透半反镜在光路中呈45°角放置。
8.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述线偏振片形状为圆形，材质为在2～5微米波段低损耗的CaF2，表面镀有2～5微米波段的宽带增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种用于异形件加工的中红外激光光束整形装置，其特征在于，所述步进电机的旋转精度为0.5°。
10.一种根据权利要求1所述用于异形件加工的中红外激光光束整形装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、若需要径向偏振激光进行工件加工，先将分光装置确定为反射镜A，接着激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，角向偏振激光依次经过反射镜A反射和第三反射镜反射到达第一半波片，接着经过第一半波片和第二半波片的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器根据需要调节激光功率，再经过第四反射镜反射后产生所需功率的径向偏振激光，径向偏振激光经过半透半反镜的反射至线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，从而实现TEM01或TEM10横模激光光斑与线偏振片方向同步的旋转，其旋转速度的大小和方向与线偏振片同步，偏振选择出特定角度的径向偏振激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；
步骤二、若需要角向偏振激光进行工件加工，先将分光装置确定为非偏振分光棱镜单元，接着激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，调节电动位移台使得激光不经过非偏振分光棱镜单元直达相位延迟单元，相位延迟单元根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器根据需要调节激光功率，然后到达半透半反镜进行透射至线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，从而实现TEM01或TEM10横模激光光斑与线偏振片方向同步的旋转，其旋转速度的大小和方向与线偏振片同步，偏振选择出特定角度的角向偏振激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；
步骤三、若需要柱偏振矢量激光进行工件加工，先将分光装置确定为非偏振分光棱镜单元，激光光源产生随机偏振高斯基横模激光，入射经过角向偏振光束产生器件后产生角向偏振激光，调节电动位移台使得角向偏振激光经过非偏振分光棱镜单元分为透射和反射两路能量相同的光束，其中透射路的角向偏振激光进入相位延迟单元，相位延迟单元根据需要对角向偏振激光进行相位延迟，经过调整后的角向偏振激光再经过第二衰减器根据需要调节激光功率，然后到达半透半反镜；反射路的角向偏振激光经过第三反射镜反射到达第一半波片，接着经过第一半波片和第二半波片的处理后转换成径向偏振激光，然后经过第一衰减器根据需要调节激光功率，再经过第四反射镜反射后产生所需功率的径向偏振激光到达半透半反镜，半透半反镜对角向偏振激光的透射部分和对径向偏振激光反射部分使两者发生相干合成柱偏振矢量激光，柱偏振矢量激光进入线偏振片单元，控制步进电机旋转线偏振片，能控制线偏振片在0°～360°之间的任意角度内进行选择，并根据需要确定所需的旋转角度，偏振选择出特定角度的柱偏振矢量激光经过聚焦透镜聚焦用于工件的加工；其中通过调节直角棱镜与第一反射镜和第二反射镜之间的距离能控制透射路角向偏振激光和反射路径向偏振激光之间的相位延迟值以及调节第一衰减器和第二衰减器的衰减比来产生不同空间分布的激光。
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