CN112540457A - 一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置、***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置、***及方法，本发明的拓扑数可调的涡旋光束生成装置包括两个螺旋相位镜，两个螺旋相位镜的相位分别设置为Aθ²和‑Aθ²，两个螺旋相位镜依次设置在光路上，两个螺旋相位镜的角度差增加

所得涡旋光束的拓扑数增加1。激光束经位于此装置后，能够被附加上螺旋相位因子实现相位调制，使激光束的能量分布变为环形分布，通过旋转一个或两个螺旋相位镜控制两个螺旋相位镜的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，从而实现大小可调的环形光斑。本发明通过设计一组二阶非线性螺旋结构的螺旋相位镜，叠加产生拓扑数可调的涡旋光束，形成能量分布集中在边缘，直径更大，焦深更长且大小可调的环形光斑。

Description

一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置、***及方法

技术领域

本发明属于激光应用领域，更具体地说，本发明涉及一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置、***及方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置、***及方法，通过对光学***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，通过进一步控制螺旋相位镜的旋转角度以及设置螺旋相位镜的相位变化特性，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。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置，包括两个螺旋相位镜，两个螺旋相位镜的相位分别设置为Aθ²和-Aθ²，A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4Aπ区间内的所有整数，θ为以螺旋相位镜的圆心为原点的方位角，两个螺旋相位镜依次设置在光路上，激光束依次经两个螺旋相位镜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螺旋相位镜控制两个螺旋相位镜的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，两个螺旋相位镜的角度差为

的整数倍。

进一步地，所述螺旋相位镜包括两个端面，其中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端面，其表面形状只与材料折射率、相位设置和激光波长有关；并且，对于任意一个螺旋相位镜，其中心轴线应与准直激光束的光束相重合，激光束均能够由对应螺旋相位镜的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位镜的台阶端面入射，光束经过两个螺旋相位镜以进行相位调制。

进一步地，当两个螺旋相位镜的角度差增加

所得涡旋光束的拓扑数增加1。两个螺旋相位镜的角度差必须为

的整数倍，所得光束才为涡旋光，拓扑数为这个倍数。

进一步地，两个螺旋相位镜的中心轴线位于同一直线上。两个螺旋相位镜之间的距离根据需要设置，理论上两个螺旋相位镜之间的距离越近越好。

进一步地，两个螺旋相位镜中的第一螺旋相位镜与第一驱动装置连接，通过第一驱动装置驱动第一螺旋相位镜绕其中心轴线转动，或/和，两个螺旋相位镜中的第二螺旋相位镜与第二驱动装置连接，通过第二驱动装置驱动第二螺旋相位镜绕其中心轴线转动。

反射式螺旋相位镜的中心轴线与过反射式螺旋相位镜中心的法线重合，且与光轴重合。

本发明公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成***，包括准直单元、聚焦单元以及涡旋光束生成装置，所述涡旋光束生成装置设置在准直单元与聚焦单元之间的光路上；

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；

所述涡旋光束生成装置用于为准直单元出射的准直激光束附加上相应拓扑荷数的螺旋相位因子，变为环形光束，其拓扑荷数由两个螺旋相位镜的角度差来决定；

所述聚焦单元用于对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，得到环形能量分布的光斑。

本发明的涡旋光束生成***还包括两个扫描振镜，所述两个扫描振镜设置在涡旋光束生成装置与聚焦单元之间的光路上，通过两块扫描振镜进行光路切换，改变聚焦面的焦点位置。

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。

本发明还公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成方法，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，得到与涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的中心光轴重合的准直激光束；

涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的初始位置对齐，此时涡旋光束生成装置对经过的激光束没有相位调制作用，旋转其中一个螺旋相位镜，当转过的角度为

的整数倍N时，即两个螺旋相位镜的角度差为

时，涡旋光束生成装置为经过的光束附加上螺旋相位因子exp(iNθ)，其中，i代表复数符号；

聚焦单元对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，在聚焦面上得到涡旋拓扑数为N的环形涡旋光束。

本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明的激光光束经过准直单元的准直，从涡旋光束生成装置中的第一螺旋相位镜一端入射，从第二螺旋相位镜出射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；

(2)通过螺旋相位镜产生环形光斑，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；

(3)通过螺旋相位镜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；

(4)当两个螺旋相位镜的角度差为某些特定值时，光束的相位附加上了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；涡旋光束生成装置通过所述螺旋相位镜的作用能够对所述准直激光束的相位进行调制，从而出射得到相位被改变的激光束；根据实际工作的需要，可以自主调节螺旋相位镜的旋转角度，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；

(5)***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；

(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。

综上，利用本发明的光学***，激光光束通过准直单元后被准直为平行光，然后通过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。本发明可以通过两个螺旋相位镜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螺旋相位镜的相位变化特性，实现涡旋光的拓扑荷数可变，且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

图1是本发明实施例2中的拓扑数可调的涡旋光束生成***的示意图；

图2是本发明的螺旋相位镜的结构示意图；

图3是本发明实施例2的涡旋光束生成装置中一个调制常数A为1，相位设置为θ²的螺旋相位镜的相位图；

图4是本发明实施例2的经过准直后的高斯光束示意图；

图5是本发明实施例2的中光束仅通过准直聚焦单元得到的聚焦光斑；

图6是本发明实施例2中两个螺旋相位镜的角度差为

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，其中，(a)为横截面光场分布图，(b)为轴截面光场分布图；

图7是本发明实施例2中两个螺旋相位镜的角度差为

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；

图8是本发明实施例3中的拓扑数可调的涡旋光束生成***的示意图。

附图中：1为激光器，2为准直单元，3为第一螺旋相位镜，4为第二螺旋相位镜，5为聚焦单元，6为聚焦面，7为第一扫描振镜，8为与第一扫描振镜相连的电机，9为第二扫描振镜，10为与第二扫描振镜相连的电机。

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。

实施例1

参见图1和图2，本实施例公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置，包括两个螺旋特定的螺旋相位镜，两个螺旋相位镜的相位分别设置为Aθ²和-Aθ²，A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4Aπ区间内的所有整数，θ为以螺旋相位镜的圆心为原点的方位角，两个螺旋相位镜依次设置在光路上，激光束依次经两个螺旋相位镜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螺旋相位镜控制两个螺旋相位镜之间的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，实现大小可调的环形光斑，从两个螺旋相位镜的初始角对齐位置开始，旋转一个螺旋相位镜时，每转过

即两个螺旋相位镜的角度差增加

所得涡旋光束的拓扑数增加1。

本发明利用两个螺旋相位镜构建涡旋光束生成装置，参见图2，所述螺旋相位镜与现有技术相一致，是一种具有固定折射率的透明板，螺旋相位镜包括两个端面，其中一个端面为平面结构，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面(类似于旋转台阶)，其表面形状只与材料折射率、相位设置和激光波长有关；根据螺旋相位镜的相位分布、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；而螺旋相位镜的厚度一般为微米量级，可以忽略不计，因此相位镜对光强的影响可以忽略。并且，对于任意一个螺旋相位镜，其中心轴线应与准直激光束的光束相重合，激光束均能够由对应螺旋相位镜的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位镜的台阶端面入射，光束经过两个螺旋相位镜以进行相位调制。本发明的螺旋特定的螺旋相位镜本质为圆形衍射光学元件。

该可变环形光斑光学***能够通过设置螺旋相位镜的相位变化特性，如增大常数A，进一步扩大涡旋光拓扑数的变化范围。

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。通过旋转螺旋相位镜至两个螺旋相位镜的角度差为某些固定值，使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荷数，可随着两个螺旋相位镜的角度差值变化，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***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。

进一步地，所述螺旋相位镜旋转的角度为

的整数倍，即两个螺旋相位镜的角度差必须为

的整数倍，所得光束才为涡旋光，拓扑数为这个倍数。

进一步地，两个螺旋相位镜的中心轴线位于同一直线上。

进一步地，两个螺旋相位镜中的第一螺旋相位镜与第一驱动装置连接，通过第一驱动装置驱动第一螺旋相位镜绕其中心轴线转动，或/和，两个螺旋相位镜中的第二螺旋相位镜与第二驱动装置连接，通过第二驱动装置驱动第二螺旋相位镜绕其中心轴线转动。

本发明可以将其中一个螺旋相位镜固定，只控制另一个螺旋相位镜转动，当然，也可以同时控制两个螺旋相位镜转动。

本发明根据所需涡旋光束的拓扑数，计算两个螺旋相位镜需要的角度差，从而控制一个或两个螺旋相位镜转动达到所需的角度差。本发明可以根据所需涡旋光束的拓扑数，通过控制器计算两个螺旋相位镜需要的角度差，自动驱动一个或两个螺旋相位镜转动达到所需的角度差，从而使光束从涡旋光束生成装置出射后得到所需拓扑荷数的涡旋光。

实施例2

参见图1至图7，本实施例公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成***，包括准直单元2、聚焦单元5以及实施例1所述的涡旋光束生成装置，所述涡旋光束生成装置设置在准直单元2与聚焦单元5之间的光路上；

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；

所述涡旋光束生成装置用于为准直单元出射的准直激光束附加上相应拓扑荷数的螺旋相位因子，变为环形光束，其拓扑荷数由两个螺旋相位镜的角度差来决定；

所述聚焦单元5用于对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，得到环形能量分布的光斑。

进一步地，在所述准直单元之前，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的输入激光，该激光器1出射的激光为光强呈高斯分布的激光。

涡旋光束生成装置由第一螺旋相位镜3和第二螺旋相位镜4构成。两个螺旋相位镜的位置可以交换，即可以将相位为Aθ²的螺旋相位镜放在-Aθ²前，也可以将相位为-Aθ²的螺旋相位镜放在Aθ²前。

激光器1发出的光束通过准直单元2的透镜组准直为平行光，然后从涡旋光束生成装置中第一螺旋相位镜3的平面端面入射，从第二螺旋相位镜4出射变为环形光束，其拓扑荷数由旋转两个螺旋相位镜后两个螺旋相位镜的角度差来决定。最后通过聚焦单元5中的透镜组聚焦，在焦距面6处得到环形能量分布的光斑。

如图3是当调制倍数为1时，本***的涡旋光束生成装置中第一螺旋相位镜3的相位示意图，第二螺旋相位镜4的相位是其相反数，两个螺旋相位镜位置可以交换。两个螺旋相位镜的相位分别设置为Aθ²和-Aθ²，其中A为常数，用于控制所得涡旋光束的拓扑数的变化范围，θ为以螺旋相位镜的圆心为原点的方位角。从两个螺旋相位镜的初始角对齐位置开始，绕光轴旋转螺旋相位镜，当螺旋相位镜3和螺旋相位镜4的角度差为α，α∈(0，2π)时，涡旋光束生成装置对光束的作用结果是两个螺旋相位镜的光场函数的乘积，即exp(iAθ²)*exp[-iA(θ-α)²]＝exp(iA2αθ-iAα²)，其中exp(-iAα²)是一个对光场没有影响的常数。因此，涡旋光束生成装置为经过光束附加了一个螺旋相位因子exp(i2Aαθ)，涡旋拓扑数为2Aα。当两个螺旋相位镜的角度差为

时，所得涡旋拓扑数为1，旋转一个螺旋相位镜每转过

(弧度)，即两个螺旋相位镜的角度差每增加

所得涡旋光束的拓扑数增加1，此***生成的涡旋光束的拓扑数从0到4nπ范围内的整数连续可调。过螺旋相位镜中心的法线与光轴重合。

如图4所示为本发明的第一种实施例的经过准直后的高斯光束示意图，高斯光束轴线与准直镜、螺旋相位镜和聚焦镜的轴线在一条直线上。

如图5所示为光束未经过任何一块螺旋相位板时，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。

如图6所示为本发明的两个螺旋相位镜3、4的角度差为

时，涡旋光束生成装置附加给光束的螺旋相位因子为exp(iθ)，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2π，光斑半径约为0.5mm。

如图7所示为本发明的两个螺旋相位镜3、4的角度差为

时，涡旋光束生成装置附加给光束的螺旋相位因子为exp(3iθ)，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6π，光斑半径约为1mm。通过旋转螺旋相位镜，使螺旋相位镜3和螺旋相位镜4的角度差为定值

的整数倍N，得到拓扑数为N的涡旋光，本装置中螺旋相位镜的旋转角与拓扑荷数的对应关系应遵循这个规律。

实施例3

参见图8，本实施例的涡旋光束生成***还包括两个扫描振镜，所述两个扫描振镜设置在涡旋光束生成装置与聚焦单元5之间的光路上，通过两块扫描振镜进行光路切换，改变聚焦面的焦点位置。本实施例的其他技术特征与实施例2相同。

激光光束通过准直单元2和涡旋光束生成装置后，再通过第一扫描振镜7、第二扫描振镜9，最后通过聚焦物镜，其原理同实施例1相同，通过两块振镜扫描，可以改变焦距面的焦点位置，进行打标、焊接和切割等精细激光加工。

实施例3的光路，聚焦面上的光场能量分布都与实施例1相一致，由于用螺旋相位镜产生的环形光斑其稳定性较高，在偏离焦点位置依然可以保持环形分布的特点，在振镜扫描高速移动打标的过程中，可以较好地保持以环形能量输出，相比实施例2在竖直空间上的应用，实施例3主要是在水平空间上的应用。

实施例4

参见图1，本实施例公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成方法，采用了实施例2所述的涡旋光束生成***，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，得到与涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的中心光轴重合的准直激光束；

涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的初始位置对齐，此时涡旋光束生成装置对经过的激光束没有相位调制作用，旋转其中一个螺旋相位镜，当转过的角度为

的整数倍N时，即两个螺旋相位镜的角度差为

时，涡旋光束生成装置为经过的光束附加上螺旋相位因子exp(iNθ)，其中，i代表复数符号；

聚焦单元对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，在聚焦面上得到涡旋拓扑数为N的环形涡旋光束。

实施例5

参见图8，本实施例公开了一种拓扑数可调的涡旋光束生成方法，采用了实施例3所述的涡旋光束生成***，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，得到与涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的中心光轴重合的准直激光束；

涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的初始位置对齐，此时涡旋光束生成装置对经过的激光束没有相位调制作用，旋转其中一个螺旋相位镜，当转过的角度为

的整数倍N时，即两个螺旋相位镜的角度差为

时，涡旋光束生成装置为经过的光束附加上螺旋相位因子exp(iNθ)，其中，i代表复数符号；

涡旋光束生成装置出射的环形光束通过第一扫描振镜7、第二扫描振镜9，最后通过聚焦单元，通过两块振镜扫描，可以改变焦距面的焦点位置，进行打标、焊接和切割等精细激光加工；第一扫描振镜7通过与第一扫描振镜相连的电机8驱动，第二扫描振镜9通过与第二扫描振镜相连的电机10驱动。

聚焦单元对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，在聚焦面上得到涡旋拓扑数为N的环形涡旋光束。

本发明光学***中的准直单元、聚焦单元使用组合的透镜组和涡旋光束生成装置所包含的螺旋相位镜组这些光学元件，要保证光轴与入射光束重合，在旋转螺旋相位镜时也是绕轴旋转。涡旋光束生成装置所包含的两个螺旋相位镜的相位分别为Aθ²和-Aθ²，位置可以互换，其中A为常数，需要预先设置，不同的A对应于不同的螺旋相位镜结构，A越大对应本***可调制的拓扑数的变化范围越大。螺旋相位镜参考现有技术，可根据螺旋相位镜的材料折射率及相位分布，计算出螺旋相位镜的厚度，平均到每一级台阶，算出每一级台阶高度，进行相应的制作加工，自行制备得到螺旋相位镜，加工精度越高越好，每一级台阶高度一般为微米量级；当然，也可以购买获得。本发明光学***中的准直单元与聚焦单元可以为一般常规的准直聚焦透镜。

通过本发明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，本发明首次用两个螺旋相位镜组合产生拓扑数可调的涡旋光。本发明利用两个螺旋相位镜的相位随角度变化的关系，通过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，螺旋相位镜的台阶高度通常为微米量级，并且初始光束都是通过扩束***扩束的，基本没有发散，因此，螺旋相位镜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。

总体而言，本发明通过设计一组自旋的二阶非线性螺旋结构的螺旋相位镜，叠加产生拓扑数可调的涡旋光束，形成能量分布集中在边缘，直径更大，焦深更长且大小可调的环形光斑。本发明中生成拓扑数可调的涡旋光的光学***，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。

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 (10)

1.一种拓扑数可调的涡旋光束生成装置，其特征在于：包括两个螺旋相位镜，两个螺旋相位镜的相位分别设置为Aθ²和-Aθ²，A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4Aπ区间内的所有整数，θ为以螺旋相位镜的圆心为原点的方位角，两个螺旋相位镜依次设置在光路上，激光束依次经两个螺旋相位镜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螺旋相位镜控制两个螺旋相位镜的角度差，来调整所得涡旋光束的拓扑数，两个螺旋相位镜的角度差为

的整数倍。

2.根据权利要求1所述的涡旋光束生成装置，其特征在于：所述螺旋相位镜包括两个端面，其中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端面，其表面形状只与材料折射率、相位设置和激光波长有关；并且，对于任意一个螺旋相位镜，其中心轴线应与准直激光束的光束相重合，激光束均能够由对应螺旋相位镜的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位镜的台阶端面入射，光束经过两个螺旋相位镜以进行相位调制。

3.根据权利要求1所述的涡旋光束生成装置，其特征在于：当两个螺旋相位镜的角度差增加

所得涡旋光束的拓扑数增加1。

4.根据权利要求1所述的涡旋光束生成装置，其特征在于：两个螺旋相位镜的中心轴线位于同一直线上。

5.根据权利要求1或4所述的涡旋光束生成装置，其特征在于：两个螺旋相位镜中的第一螺旋相位镜与第一驱动装置连接，通过第一驱动装置驱动第一螺旋相位镜绕其中心轴线转动，或/和，两个螺旋相位镜中的第二螺旋相位镜与第二驱动装置连接，通过第二驱动装置驱动第二螺旋相位镜绕其中心轴线转动。

6.一种拓扑数可调的涡旋光束生成***，其特征在于：包括准直单元、聚焦单元以及如权利要求1至5任一所述的涡旋光束生成装置，所述涡旋光束生成装置设置在准直单元与聚焦单元之间的光路上；

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；

所述涡旋光束生成装置用于为准直单元出射的准直激光束附加上相应拓扑荷数的螺旋相位因子，变为环形光束，其拓扑荷数由两个螺旋相位镜的角度差来决定；

所述聚焦单元用于对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，得到环形能量分布的光斑。

7.根据权利要求6所述的涡旋光束生成***，其特征在于：还包括两个扫描振镜，所述两个扫描振镜设置在涡旋光束生成装置与聚焦单元之间的光路上，通过两块扫描振镜进行光路切换，改变聚焦面的焦点位置。

8.根据权利要求6所述的涡旋光束生成***，其特征在于：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。

9.一种拓扑数可调的涡旋光束生成方法，其特征在于，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，得到与涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的中心光轴重合的准直激光束；

涡旋光束生成装置的两个螺旋相位镜的初始位置对齐，此时涡旋光束生成装置对经过的激光束没有相位调制作用，旋转其中一个螺旋相位镜，当转过的角度为

的整数倍N时，即两个螺旋相位镜的角度差为

时，涡旋光束生成装置为经过的光束附加上螺旋相位因子exp(iNθ)；

聚焦单元对涡旋光束生成装置出射的环形光束进行聚焦，在聚焦面上得到涡旋拓扑数为N的环形涡旋光束。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在涡旋光束生成装置与聚焦单元之间的光路上设置两个扫描振镜，通过两块扫描振镜进行光路切换，改变聚焦面的焦点位置。

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