CN220271676U - 一种基于ito膜光栅的动态光束控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，控制系统中激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生可调节的光斑，本实用新型可以在紧凑的空间中，快速地实现环形光、涡旋光、高阶角动量光束等利用传统光束控制复杂的激光光束分布，且本实用新型可以用于高功率激光器，从而极大地提高了激光的应用范围。
Description
技术领域
本实用新型关于激光动态光束控制，特别是有关于一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统。
背景技术
在激光焊接和增材制造的应用中，尤其是高功率的激光深熔焊中，焊接的缺陷，例如气孔、杂质、析晶等组织特性缺陷以及飞溅、表面堆渣等加工缺陷，都与焊接中熔池的“匙孔”形状和等离子体团的动力学过程以及随后的快速冷却凝固过程有密切关系。近年来，随着新能源电池的规模发展，新型的合金材料和正负电极材料被不断开发出来，这些材料的连接和密封都离不开激光焊接，且由于电池的电流密度持续增加，对激光焊接稳定性的要求也越来越高。
在诸多的焊接过程控制技术中，调制和控制激光的光束场分布，被证明具有良好的效果且控制灵活性高、成本可控。该技术路线在多光束激光焊接方案中，如叠阵半导体激光焊接和多波长激光焊接中，率先得到了应用，对于单光束的、高功率光纤激光器的焊接，动态调整光束场分布并不容易，目前并没有可用于工业应用的成熟方案。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提供一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，该控制系统包括：ITO膜光栅及聚焦系统，激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生光斑。
进一步地，该聚焦系统包括第一聚焦透镜、小孔光阑、成像传输透镜、光场及第二聚焦透镜。
进一步地，该ITO膜光栅置于该第一聚焦透镜的前方1倍焦距处，该小孔光阑置于该第一聚焦透镜的后方1倍聚焦处。
进一步地，该小孔光阑的孔直径大小为ND/2f，其中N为需要控制的光场的最高模式阶数，D为入射激光束的直径，f为该第一聚焦透镜的焦距。
进一步地，该聚焦系统包括消像差聚焦系统，该消像差聚焦系统置于该ITO膜光栅后。
进一步地，该动态光束控制系统还包括准直系统，该准直系统置于该ITO膜光栅前。
进一步地，该ITO膜光栅为反射式ITO膜光栅。
进一步地，该反射式ITO膜光栅包括石英基底，该石英基底上放镀有一层银膜形成的多个独立电极，该多个独立电极上方镀有一层石英保护膜，该石英保护膜上方设置有多个独立的ITO膜岛，该ITO膜岛与该独立电极一一对应。
进一步地，该ITO膜岛尺寸为0.01毫米，厚度为0.2毫米，任意两个相邻的ITO膜岛之间的距离为0.01毫米。
本实用新型提供一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，控制系统中激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生可调节的光斑，本实用新型可以在紧凑的空间中，快速地实现环形光、涡旋光、高阶角动量光束等利用传统光束控制复杂的激光光束分布，且本实用新型可以用于高功率激光器，从而极大地提高了激光的应用范围。
附图说明
图1为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第一实施例示意图；
图2a为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第二实施例示意图；
图2b为本实用新型第二实施例中环形ITO膜光栅的示意图；
图3a为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第三实施例示意图；
图3b为本实用新型第三实施例中反射式ITO膜光栅的剖视图；
图3c为本实用新型第三实施例中反射式ITO膜光栅的俯视图；
图4a为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第四实施例示意图；
图4b为本实用新型第四实施例中前ITO膜光栅和后ITO膜光栅的示意图。
附图标记说明
5.1ITO膜光栅5.2第一聚焦透镜5.3小孔光阑
5.4成像传输透镜5.5光场5.6第二聚焦透镜6.1激光束
6.2准直系统6.3环形ITO膜光栅6.4消像差聚焦系统
6.5待焊工件9.1反射式ITO膜光栅9.2石英基底
9.3独立电极9.4适应保护膜9.5ITO膜岛
9.6汇聚光学系统9.7光电传感器8.1后腔镜
8.2前ITO膜光栅8.3后ITO膜光栅8.4光纤耦合器
8.5掺镒光纤8.6半导体泵浦源8.7输出耦合光纤光栅
具体实施方式
为使对本实用新型的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
针对上述问题，本实用新型提供一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，该控制系统包括：ITO膜光栅5.1及聚焦系统，激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生可调节的光斑，本实用新型可以快速地实现环形光、涡旋光、高阶角动量光束等利用传统光束控制复杂的激光光束分布，且本实用新型可以用于高功率激光器，从而极大地提高了激光的应用范围。
参照图1，图1为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第一实施例示意图，第一实施例是将ITO膜光栅置于光场像传递系统中物平面的位置，这类光场像传递系统有4F系统或者卡塞格林(Cassegrain)望远镜系统等，例如在4F系统中，聚焦系统包括第一聚焦透镜5.2、小孔光阑5.3、成像传输透镜5.4、光场5.5及第二聚焦透镜5.6，ITO膜光栅5.1放置在第一个聚焦传输透镜5.2的前方1倍焦距处。然后，经过小孔光阑5.3和成像传输透镜5.4，在1倍焦距处(当入射光束为准直光束入射时)或者像平面处(当入射光束为发散光入射时)获得预设的光场5.5。在典型的4F系统中，小孔光阑位于距离聚焦传输透镜1倍的焦距处，小孔光阑的孔径大小根据需要控制光场的最高模式阶数来选取，小孔光阑的孔直径大小为ND/2f，其中N为需要控制的光场的最高模式阶数，D为入射激光束的直径，f为该第一聚焦透镜的焦距。最终，在像平面的位置获得我们希望产生的光斑分布形状，再经过聚焦系统5.6，可以在激光焊接的焦点附近或者焦深范围内得到可控的焦斑形状。由于ITO膜光栅本身具备偏振输出能力，因此，ITO膜光栅在控制焦斑形状的同时，也可以控制焦斑的偏振态分布，从而提供焊接的可控性和柔性焊接能力，实现对难熔、难焊材料的高质量焊接。
参见图2a，图2a为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第二实施例示意图，第二实施例利用环形ITO光栅进行激光光束变换，获得功率分布可调的环形光斑。此类光斑被广泛应用于诸如新能源电池极耳等的精密激光焊接中，以控制焊接过程中的热效应对焊接工件的热影响，并提高焊接质量，第二实施例中聚焦系统包括消像差聚焦系统6.4，消像差聚焦系统置于ITO膜光栅6后，第二实施例中的ITO膜光栅为环形ITO膜光栅6.3，该动态光束控制系统还包括准直系统6.2，准直系统6.2置于ITO膜光栅前，也就是置于环形ITO膜光栅6.3之前，具体地，由掺镱光纤激光器等类似光源传播过来的激光束6.1首先经准直系统6.2变为平行光，然后透过环形ITO光栅6.3，最后经过消像差聚焦系统6.4，照射到待焊工件6.5的表面。参见图2b，图2b为本实用新型第二实施例中环形ITO膜光栅的示意图，第二实施例中ITO膜光栅由厚度为0.03mm的薄ITO膜，在石英基底上刻蚀出宽度为0.05mm，间隔0.028mm的环形图案构成。正负电极与环形ITO脊间隔连接。当在正负电极间，施加最大±1.5V的电压时，可得到中心光斑占总功率的比例从75％～0％的可调环形光斑。
参见图3，图3为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第三实施例示意图，第三实施例是利用快速调制的反射式ITO膜光栅，实现空间编码的激光空间通信，为空分复用技术提供了一种潜在的方案，也就是ITO膜光栅为反射式ITO膜光栅9.1，入射的光束经反射式ITO膜光栅9.1对折射率图案的调制，输出的激光束为该折射率图案的空间傅里叶变换，再由汇聚光学系统9.6被CMOS型的光电传感器9.7所接收。换言之，我们可以通过对预设光束的设计光斑形状进行反傅里叶变换，求得折射率的分布，从而达到输出预设光斑形状的目的，ITO膜光栅通过控制空间折射率分布，具备较小的插入损耗和连续的调制能力。第三实施例中，参见图3b和图3c，图3b为本实用新型第三实施例中反射式ITO膜光栅的剖视图，图3c为本实用新型第三实施例中反射式ITO膜光栅的俯视图，第三实施例中反射式ITO膜光栅9.1包括石英基底9.2，石英基底9.2上放镀有一层银膜形成的多个独立电极9.3，多个独立电极9.3上方镀有一层石英保护膜9.4，石英保护膜9.4上方设置有多个独立的ITO膜岛9.5，ITO膜岛9.5与独立电极9.3一一对应，ITO膜岛9.5尺寸为0.01毫米，厚度为0.2毫米，任意两个相邻的ITO膜岛9.5之间的距离为0.01毫米。通过对ITO膜不同的ITO膜岛9.5施加各自不同的电压，可以形成具有空间分布的折射率图案，从而达到输出预设光斑形状的目的。
参见图4a，图4a为本实用新型一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统第四实施例示意图；利用径向分布的ITO膜光栅，直接产径向偏振的激光输出。为获得较高提取比例的径向偏振光，在光纤激光器的后腔镜8.1和光纤耦合器8.4之间插入前ITO膜光栅8.2和后ITO膜光栅8.3。具体地，整个系统由后腔镜8.1，前ITO光栅8.2，后ITO光栅8.3，光纤耦合器8.4，掺镱光纤8.5，半导体泵浦源8.6和输出耦合光纤光栅8.7组成，前ITO膜光栅8.2和后ITO膜光栅8.3具有相同的光栅图案，但是旋转了一个特定的角度，使得后ITO膜光栅8.3的峡谷正好与前ITO膜光栅8.2的屋脊相对。参见图4b，图4b为本实用新型第四实施例中前ITO膜光栅和后ITO膜光栅的示意图，在第四实施例中，ITO光栅8.8由宽度为0.01mm的ITO膜屋脊呈射线状分布，且在射线半径逐渐增大时，在屋脊中间增加新的ITO屋脊，以增加在半径外沿部分的衍射效率。前ITO膜光栅8.2和后ITO膜光栅8.3旋转一定角度的方式交错放置，共同对后腔镜8.1内光场进行调制，径向偏振的激光获得较高的激光增益，而得到径向输出。此径向ITO膜光栅上的屋脊上施加正电压(不超过1.5V)，将基底接地(0V)，调节施加的正电压，即改变了ITO膜屋脊的折射率，而没有ITO屋脊的地方，折射率即为石英基底的折射率。改变ITO屋脊的折射率即得到不同偏振比的径向偏振光输出。
本实用新型提供一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，控制系统中激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生可调节的光斑，本实用新型可以在紧凑的空间中，快速地实现环形光、涡旋光、高阶角动量光束等利用传统光束控制复杂的激光光束分布，且本实用新型可以用于高功率激光器，从而极大地提高了激光的应用范围。
本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该控制系统包括：ITO膜光栅及聚焦系统，激光经过ITO膜光栅进入聚焦系统，产生光斑，该聚焦系统包括第一聚焦透镜、小孔光阑、成像传输透镜、光场及第二聚焦透镜，该ITO膜光栅置于该第一聚焦透镜的前方1倍焦距处，该小孔光阑置于该第一聚焦透镜的后方1倍聚焦处，该小孔光阑的孔直径大小为ND/2f，其中N为需要控制的光场的最高模式阶数，D为入射激光束的直径，f为该第一聚焦透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该聚焦系统包括消像差聚焦系统，该消像差聚焦系统置于该ITO膜光栅后。
3.根据权利要求2所述的一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该动态光束控制系统还包括准直系统，该准直系统置于该ITO膜光栅前。
4.根据权利要求1所述的一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该ITO膜光栅为反射式ITO膜光栅。
5.根据权利要求4所述的一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该反射式ITO膜光栅包括石英基底，该石英基底上放镀有一层银膜形成的多个独立电极，该多个独立电极上方镀有一层石英保护膜，该石英保护膜上方设置有多个独立的ITO膜岛，该ITO膜岛与该独立电极一一对应。
6.根据权利要求5所述的一种基于ITO膜光栅的动态光束控制系统，其特征在于，该ITO膜岛尺寸为0.01毫米，厚度为0.2毫米，任意两个相邻的ITO膜岛之间的距离为0.01毫米。
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