一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置的制作方法

1.本实用新型属于激光应用领域，更具体地说，本实用新型涉及一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置。


背景技术：

2.普通的高斯光束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。在激光加工领域，尤其是激光焊接、切割、熔覆等领域，中心能量过高可能出现烧蚀等现象，而由于边缘的能量不足，在进行激光切割等深度加工时，加工深度越深，边缘的能量就更加不足，从而导致切割断面不平整，使得加工质量、加工精度等受到了明显的限制。
3.针对上述问题，目前常用的处理方法为将高斯分布的光斑变为环形光斑，最典型的环形光是涡旋光，涡旋光的半径随着拓扑数的增大而增大，因此能通过调整涡旋光的拓扑数来调整光斑大小进行灵活加工，而且涡旋光具有各个方向的偏振特性，在加工时可以忽略光的偏振方向对激光与物质作用产生的影响。与普通高斯分布的光斑相比，环形光斑的能量集中在边沿环带上，能量分布更为均匀，在进行激光的厚板切割时可以有效避免边缘能量不足而造成的断面不平整的问题以及在激光切割、焊接、熔覆时存在的断面不平整、飞溅过多等问题，显著提高激光加工产品的良品率。
4.现有技术中，实现输出环形光斑的主要方法有如下几种：1、使用涡旋相位片叠加来生成拓扑荷数可调的涡旋光，每个相位片生成固定拓扑数的涡旋光，不同相位片叠加产生的涡旋光的拓扑数为使用的相位片的拓扑数之和。由于相位片的价格昂贵，需要较多相位片才能实现涡旋光拓扑数灵活可调，这种方法的成本太高，不够灵活。2、基于轴锥镜产生组合环形光斑，但由于锥镜材料和加工工艺的限制，目前可以加工实现的锥度范围是有限的，在锥度过小时会产生较大的误差，且对于晶体材料，多种不同锥度的锥面组合而成的镜面的加工难度极大，所以采用透射式的轴锥棱镜输出的环形光斑在环半径等参数上可调范围相对小一些，且输出多环形的组合光斑难度较大，无法灵活满足不同的加工需求，此外轴锥镜的材料也影响着可承受的光功率的大小；3、基于计算全息法产生产生组合环形光斑，计算全息原则上可以设计产生含组合环形光斑在内的任意光斑，但由于计算全息法需要用空间光调制器来完成，空间光调制器一般使用离轴一级衍射光，再加上损耗等因素，所以光能利用率较低，且不能承受千瓦级激光，因而相对使用较少；4、采用基于光纤实现的可调光斑模式的激光器来产生组合环形光斑，这种方法在光纤内实现光斑分布模式的调节的难度和成本较大，由于无可调节的外部光路，在使用的灵活性、便捷性上有所欠缺。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种涡旋光束生成系统及相位调制组合装置，通过对光学系统的组件及各个组件之间的配合作用方式等进行改进，能够获得能量分布集中在边缘，直径更大，焦深更长的环形光斑，并且，通过进一步控制反射式衍射光学元件的旋转角度以及反射式衍射光学元件的相位设置，能够实现涡旋光束的拓
扑数可调，光斑大小的变化范围可调，适用于激光切割等多种激光加工领域。
6.本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型公开了一种相位调制组合装置，包括两个反射式衍射光学元件，两个反射式衍射光学元件的相位分别设置为和，为常数，用于控制所得涡旋光束的拓扑数的变化范围，所得涡旋光拓扑数取从0到区间内的所有整数，为以反射式衍射光学元件的中心为原点的方位角，两个反射式衍射光学元件设置在光路上，激光束经两个反射式衍射光学元件依次反射后被附上设定拓扑数的螺旋相位因子，变为环形涡旋光束，通过旋转一个或两个反射式衍射光学元件控制两个反射式衍射光学元件的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，当两个反射式衍射光学元件的角度差增加，所得涡旋光束的拓扑数增加1。
7.所述反射式衍射光学元件为圆形；反射式衍射光学元件采用反射式螺旋相位镜。
8.本实用新型能够通过设置反射式衍射光学元件的相位变化特性，如增大常数a，进一步扩大涡旋光拓扑数的变化范围。
9.进一步地，所述反射式衍射光学元件设有以中心为原点，高度随方位角变化的具有螺旋形状的台阶面，其表面形状只与相位设置和激光波长有关，其表面形状与相位设置和激光波长的对应关系为，其中为激光波长，为设置的相位，为端面的高度。
10.进一步地，所述反射式衍射光学元件包括两个端面，所述反射式衍射光学元件的一个端面为平面端面，另一个端面为以中心为原点，高度随方位角变化的具有螺旋形状的台阶反射面，入射光经过台阶反射面反射，改变入射光的光程来改变相位。
11.进一步地，两个反射式衍射光学元件的角度差必须为的整数倍，所得光束才为涡旋光，拓扑数为这个倍数。
12.进一步地，本实用新型的相位调制组合装置还包括两个聚焦镜，两个聚焦镜位于第一反射式衍射光学元件与第二反射式衍射光学元件之间的光路上，两个聚焦镜用于将第一反射式衍射光学元件的像面传输到第二反射式衍射光学元件处，形成4f系统，其中，第一聚焦镜的焦距为，第二聚焦镜的焦距为，第一聚焦镜到第一螺旋相位镜的距离，第一聚焦镜到第二聚焦镜的距离，第二聚焦镜到第二螺旋相位镜的距离。
13.进一步地，两个反射式衍射光学元件中的第一反射式衍射光学元件与第一驱动装置连接，通过第一驱动装置驱动第一反射式衍射光学元件绕其中心轴线转动，或/和，两个反射式衍射光学元件中的第二反射式衍射光学元件与第二驱动装置连接，通过第二驱动装置驱动第二反射式衍射光学元件绕其中心轴线转动。
14.反射式衍射光学元件的中心轴线与过反射式衍射光学元件中心的法线重合，且与光轴重合。
15.本实用新型公开了一种涡旋光束生成系统，包括准直单元、聚焦单元以及如上所述的相位调制组合装置，所述相位调制组合装置设置在准直单元与聚焦单元之间的光路上；
16.所述准直单元用于对输入激光进行准直处理，得到准直激光束；
17.所述相位调制组合装置的两个反射式衍射光学元件用于将准直单元出射的准直激光束依次反射后附上设定拓扑数的螺旋相位因子，使激光束变为半径大小可调的环形涡旋光束；
18.所述聚焦单元用于对相位调制组合装置出射的环形光束进行聚焦，得到环形能量分布的光斑。
19.进一步地，在所述准直单元之前，还设置有激光器，该激光器出射的激光作为所述准直单元的输入激光，该激光器出射的激光为光强呈高斯分布的激光。
20.本实用新型至少具有如下有益效果：（1）本实用新型的激光光束经过准直单元的准直，依次从两个反射式衍射光学元件的反射面反射出的光束被附加相应拓扑荷数的螺旋相位因子，变为环形光束，最后通过聚焦单元得到环形能量分布的环形光斑。相同条件下，光束被附加螺旋相位因子，聚焦得的环形光斑比普通聚焦光斑半径更大，焦深更长，并且边缘能量高的特点，使其能有效避免激光加工中烧蚀等不良影响，材料受热更均匀，加工质量更好；
21.（2）通过反射式衍射光学元件产生环形光斑，可以看作纯相位调制，振幅的改变可以忽略不计，能量转换率高，减小损耗，适用于激光高功率加工；
22.（3）通过反射式衍射光学元件产生的环形光斑纯度更高，稳定性更强，不易受到衍射等光学作用的影响；
23.（4）根据实际工作的需要，可以自主调节反射式衍射光学元件的旋转角度，通过旋转一个或两个反射式衍射光学元件控制两个反射式衍射光学元件的角度差，从而得到不同拓扑荷数的涡旋光，进而改变环形聚焦光斑的大小，实现环形光斑的大小连续可调，可以满足不同板厚的切割要求；
24.（5）系统抗失调特性好，光斑大小变化、光束偏移、焦点偏移不会对环形能量分布的光场产生影响；
25.（6）用于激光增材制造或激光表面处理时，改变涡旋光的拓扑荷数，实现光斑宽度的可调，并且不影响其光场分布的均匀性，能够获得均匀性效果一致的作用效果。
26.综上，利用本实用新型的装置，激光光束通过准直单元后被准直为平行光，然后通过本装置的相位调制得到环形光束，最后通过聚焦单元，聚焦成高能量的环形光斑，可以用于激光切割、打标、熔覆、微型加工等以及信息处理、原子操控等多个领域。
27.本实用新型可以通过两个反射式衍射光学元件产生光斑大小可调的环形光斑，在激光加工技术上具有重大意义，并且可以进一步改变反射式衍射光学元件的相位变化特性，实现涡旋光束的拓扑荷数变化范围的进一步扩大，在不同的加工环境下加工不同材料时可根据自己的需求灵活调整，能够有效解决目前由于高斯光束中心能量过高，边缘能量不足带来的激光厚板切割断面不平整，加工出现烧蚀等负面问题，且光斑大小可调，使用方法灵活，能量利用率高，适用于激光高功率加工。
附图说明
28.图1是本发明的实施例2中的生成拓扑数可调的涡旋光束的光学系统示意图；
29.图2是本发明的反射式衍射光学元件的结构示意图；
30.图3是本发明实施例2的涡旋光束生成系统中一个调制常数为1，相位设置为的衍射光学元件的相位图；
31.图4是本发明实施例2的涡旋光束生成系统经过准直后的高斯光束示意图；
32.图5是本发明实施例2的涡旋光束生成系统中光束仅通过准直聚焦单元得到的聚焦光斑；
33.图6是本发明实施例2的涡旋光束生成系统中两个反射式衍射光学元件的角度差为时生成拓扑数为1的涡旋光，经聚焦单元在聚焦面所在位置的光场分布图，图（a）为横截面光场分布图，图（b）为轴截面光场分布图；
34.图7是本发明实施例2的涡旋光束生成系统中两个反射式衍射光学元件的角度差为时，生成拓扑数为3的涡旋光，经聚焦单元在聚焦面所在位置的轴截面光场分布图；
35.图8是一种针对1350nm入射光的16阶反射式衍射光学元件的表面结构。
36.附图中：1为激光器，2为准直单元，3为第一反射式衍射光学元件，4为第二反射式衍射光学元件，5为聚焦单元，6为聚焦面，7为第一聚焦镜，8为第二聚焦镜。
具体实施方式
37.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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。
38.实施例1
39.参见图1和图2，本实施例公开了一种相位调制组合装置，包括两个螺旋特定的反射式衍射光学元件，两个反射式衍射光学元件的相位分别设置为和，为常数，用于控制所得涡旋光束的拓扑数的变化范围，所得涡旋光拓扑数取从0到区间内的所有整数，为以反射式衍射光学元件的圆心为原点的方位角，两个反射式衍射光学元件设置在光路上，激光束经两个反射式衍射光学元件依次反射后被附上设定拓扑数的螺旋相位因子，变为半径大小可调的环形涡旋光束，通过旋转一个或两个反射式衍射光学元件控制两个反射式衍射光学元件之间的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，两个反射式衍射光学元件的角度差增加，所得涡旋光束的拓扑数增加1。
40.进一步地，所述反射式衍射光学元件为圆形；反射式衍射光学元件采用螺旋特定的反射式螺旋相位镜。
41.进一步地，所述反射式衍射光学元件设有以中心为原点，高度随方位角变化的具有螺旋形状（类似于旋转台阶）的台阶反射面，台阶反射面表面形状只与相位设置和激光波长有关，其表面形状与相位设置和激光波长的对应关系为，其中为激光波长，为设置的相位，为端面的高度，的含义为模除。
42.如图8所示，为本实用新型的一种针对1350nm入射光的16阶反射式衍射光学元件
的表面结构，螺旋相位镜的相位设置为，其反射面高度随方位角的变化规律为：。最高阶即台阶数为16的台阶其高度，对应的相位为，每阶台阶相较上一级的高度差，将相位模除后，相位从0开始，相位值每增加，台阶数升1。对应于普遍的情况，即阶的，相位设置为，对应激光波长为的反射式衍射光学元件，第阶台阶的高度为，台阶高度差，将相位模除后，相位从0开始，相位值每增加，台阶数升1。
43.进一步地，所述反射式衍射光学元件的一个端面为平面端面，另一个端面为以中心为原点，高度随方位角变化的具有螺旋形状的台阶反射面。所述反射式衍射光学元件其厚度随着方位角的变化而变化。
44.对于任意一个反射式衍射光学元件，激光从反射面的中心以小角度入射，螺旋形状的台阶结构给入射光带来的光程变化使其相位对应发生改变。
45.所述螺旋特定的反射式衍射光学元件本质为两个圆形衍射光学元件。本实施例的反射式衍射光学元件的反射面为二阶非线性螺旋结构。
46.本实用新型利用两个反射式圆形反射式衍射光学元件构建相位调制组合装置。
47.激光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。
48.通过旋转一个或两个圆形反射式衍射光学元件使两个圆形反射式衍射光学元件的角度差为某些固定值，使出射光束的相位被附加一个对应拓扑荷数的螺旋相位因子，使激光束的能量分布变为环形分布；其中l为螺旋相位板的拓扑荷数，可随着两个反射式衍射光学元件的角度差值变化，i代表复数符号，从而变为拓扑数可调的圆形涡旋光束。光学系统得到的环形光斑的大小受拓扑荷数影响，拓扑荷数越大，得到的环形光斑能量凹陷的区域越大，光斑直径也越大。
49.对于任意一个圆形反射式衍射光学元件，其中心轴线应与准直激光束的光束相重合，光束经过两个圆形反射式衍射光学元件反射以进行相位调制。
50.进一步地，两个反射式衍射光学元件的角度差必须为的整数倍，所得光束才为涡旋光，拓扑数为这个倍数。
51.进一步地，两个反射式衍射光学元件中的第一反射式衍射光学元件与第一驱动装置连接，通过第一驱动装置驱动第一反射式衍射光学元件绕其中心轴线转动，或/和，两个反射式衍射光学元件中的第二反射式衍射光学元件与第二驱动装置连接，通过第二驱动装置驱动第二反射式衍射光学元件绕其中心轴线转动。
52.反射式衍射光学元件的中心轴线与过反射式衍射光学元件中心的法线重合，且与光轴重合。
53.本实用新型可以将其中一个反射式衍射光学元件固定，只控制另一个反射式衍射
光学元件转动，当然，也可以同时控制两个反射式衍射光学元件转动。
54.本实用新型根据所需涡旋光束的拓扑数，计算两个反射式衍射光学元件需要的角度差，从而控制一个或两个反射式衍射光学元件转动达到所需的角度差。本实用新型可以根据所需涡旋光束的拓扑数，通过控制器计算两个反射式衍射光学元件需要的角度差，自动驱动一个或两个反射式衍射光学元件转动达到所需的角度差，从而使光束从相位调制组合装置出射后得到所需拓扑荷数的涡旋光。
55.所述两个反射式衍射光学元件的位置可以交换，即可以沿光路将相位为的螺旋相位镜放在前，也可以沿光路将相位为的螺旋相位镜放在前。
56.本实施例的相位调制组合装置还包括两个聚焦镜，两个聚焦镜位于第一反射式衍射光学元件与第二反射式衍射光学元件之间的光路上，两个聚焦镜用于将第一反射式衍射光学元件的像面传输到第二反射式衍射光学元件处，形成4f系统，其中，第一聚焦镜7的焦距为，第二聚焦镜8的焦距为，第一聚焦镜7到第一螺旋相位镜3的距离，第一聚焦镜7到第二聚焦镜8的距离，第二聚焦镜8到第二螺旋相位镜4的距离。
57.通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，针对高斯能量分布的聚焦光斑在激光加工中能量集中而边缘能量不足的问题，本实用新型首次用两个反射式反射式衍射光学元件组合产生拓扑数可调的涡旋光。本实用新型利用两个反射式衍射光学元件的相位随角度变化的关系，通过相对旋转的方式得到不同拓扑数的涡旋光，这种方式灵活、易于实现且成本低，反射式衍射光学元件的台阶高度通常为微米量级，并且初始光束都是通过扩束系统扩束的，基本没有发散，因此，反射式衍射光学元件对光束光强基本没有衰减，而只是改变光束的相位，对于单色性好的光源，产生的环形光束纯度更高。
58.实施例2
59.参见图1，本实施例公开了一种涡旋光束生成系统，包括准直单元2、聚焦单元5以及实施例1所述的相位调制组合装置，所述相位调制组合装置设置在准直单元2与聚焦单元5之间的光路上；
60.所述准直单元2用于对输入激光进行准直处理，得到准直激光束；
61.所述相位调制组合装置的两个反射式衍射光学元件用于将准直单元出射的准直激光束依次反射后附上设定拓扑数的螺旋相位因子，使激光束变为半径大小可调的环形涡旋光束；
62.所述聚焦单元5用于对相位调制组合装置出射的环形光束进行聚焦，得到环形能量分布的光斑。
63.进一步地，在所述准直单元2之前，还设置有激光器1，该激光器1出射的激光作为所述准直单元2的输入激光，该激光器出射的激光为光强呈高斯分布的激光。
64.本实用新型中的反射式衍射光学元件的反射面是高度随方位角变化的具有螺旋形状的台阶结构（类似于旋转台阶）而根据反射式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；反射式衍射光学元件的厚度一般为微米量级，可以忽略不计，因此相位板对光强的影响可以忽略。
65.如图3是当调制倍数为1时，本系统的第一反射式衍射光学元件3的相位示意图，第二反射式衍射光学元件的相位是其相反数，两个反射式衍射光学元件位置可以交换。两个
反射式衍射光学元件的相位分别设置为和，其中为常数，用于控制所得涡旋光束的拓扑数的变化范围，为以圆形反射式衍射光学元件的圆心为原点的方位角。从两个反射式衍射光学元件的初始角对齐位置开始，绕光轴旋转反射式衍射光学元件，当两个反射式衍射光学元件的角度差为时，相位调制组合装置对光束的作用结果是两个反射式衍射光学元件的光场函数的乘积，即，其中是一个对光场没有影响的常数。因此，相位调制组合装置为经过光束附加了一个螺旋相位因子，涡旋拓扑数为。当两个反射式衍射光学元件的角度差为时，所得涡旋拓扑数为1，旋转一个反射式衍射光学元件时每转过（弧度），即两个反射式衍射光学元件的角度差每增加，所得涡旋光束的拓扑数增加1，此系统生成的涡旋光束的拓扑数从0到范围内的整数连续可调。
66.如图4所示为本实用新型经过准直后的高斯光束示意图，高斯光束轴线与准直镜、反射式衍射光学元件和聚焦镜的轴线在一条直线上。
67.如图5所示为本实用新型的光束未经过任何一块螺旋相位镜时，仅通过准直聚焦单元得到的聚焦光斑的轴截面光场分布图，可以看到聚焦光斑的光场分布为高斯分布，光斑半径约为0.25mm。
68.如图6所示为本实用新型的第一种实施例，两个反射式衍射光学元件的角度差为时，相位调制组合装置附加给光束的螺旋相位因子为，即生成拓扑数为1的涡旋光，经聚焦单元5在聚焦面6所在位置的光场分布图，图（a）为横截面光场分布图，图（b）为轴截面光场分布图。可见经过螺旋相位板的相位调制,得到中心能量低，边缘能量高的环形能量分布的聚焦光斑，其拓扑荷数为1，相位改变量，光斑半径约为0.5mm。
69.如图7所示为本实用新型的两个反射式衍射光学元件3和4的角度差为时，相位调制组合装置附加给光束的螺旋相位因子为，即生成拓扑数为3的涡旋光，经聚焦单元5在聚焦面6所在位置的轴截面光场分布图。可见经过螺旋相位板的相位调制，得到中心能量低，边缘能量高的环形能量分布的聚焦光斑，其拓扑荷数为3，相位改变量，光斑半径约为1mm。通过旋转圆形反射式衍射光学元件，使两个螺旋相位镜3和4的角度差为定值的整数倍n，得到拓扑数为n的涡旋光，本装置中反射式衍射光学元件的旋转角与拓扑荷数的对应关系应遵循这个规律。
70.实施例3
71.本实施例公开了一种涡旋光束生成方法，采用了实施例2所述的涡旋光束生成系统，该方法包括如下步骤：激光器发出光强呈高斯分布的激光，光束经过准直单元进行准直处理，得到准直激光束；
72.相位调制组合装置的两个反射式衍射光学元件的初始位置对齐，此时相位调制组合装置对激光束没有相位调制作用，旋转其中一个或两个反射式衍射光学元件，来调整所
得涡旋光束的拓扑数，两个反射式衍射光学元件的角度差必须为的整数倍，当两个反射式衍射光学元件的角度差为时，激光束经两个反射式衍射光学元件依次反射后被附上设定拓扑数的螺旋相位因子，变为半径大小可调的环形涡旋光束；
73.两个反射式衍射光学元件之间的光路上设置两个聚焦镜，两个聚焦镜将第一个反射式衍射光学元件的像面传输到第二个反射式衍射光学元件处；
74.聚焦单元对第二个反射式衍射光学元件反射的环形涡旋光束进行聚焦，在聚焦面上得到涡旋拓扑数为n的环形涡旋光束。
75.本实用新型所适用的光路中的准直单元、聚焦单元使用组合的透镜组和相位调制组合装置所包含的反射式衍射光学元件组这些光学元件，要保证光束对于反射式衍射光学元件成小角度反射，即入射光束与光轴夹角小，在旋转反射式衍射光学元件时也是绕光轴旋转。相位调制组合装置所包含的两个反射式衍射光学元件的相位分别为和，位置可以互换，其中为常数，需要预先设置，不同的对应于不同的反射式衍射光学元件结构，越大对应本系统可调制的拓扑数的变化范围越大。
76.总体而言，本实用新型中生成拓扑数可调的涡旋光的光学系统，可得到光强损耗低，光斑大小可调，中心能量低，边缘能量高的环形能量分布光斑，可用于激光切割、打标、熔覆等多个激光加工领域。有效解决目前由于高斯光束中心能量过高，边缘能量不足带来的激光厚板切割断面不平整，加工出现烧蚀等负面问题，且光斑大小可调，使用方法灵活，能量利用率高，适用于激光高功率加工。
77.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。