CN211956009U - 一种环形光斑的光学*** - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光加工领域，公开了一种环形光斑的光学***，包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，相位调制单元包括位于光路内的至少一个螺旋相位板；激光束经位于光路内的螺旋相位板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。进一步的，可以将螺旋相位板设置在旋转轴上，通过绕旋转轴旋转切换位于光路内与位于光路外的状态，如此通过切换各个螺旋相位板能够实现可变环形光斑。本实用新型通过对光学***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，进一步的光斑的大小可调，适用于激光切割等多种激光加工领域。

Description

一种环形光斑的光学***

技术领域

本实用新型属于激光加工领域，更具体地，涉及一种环形光斑的光学***。

背景技术

普通高斯能量分布的光斑，大部分能量是集中在中心部位，而环形能量分布的光斑能量分布在四周，中心的能量低。这种能量分布的光斑在进行激光切割、打标、熔覆及微型加工等领域有很大的优势。

当使用高斯能量分布的光斑进行激光加工时，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。采用环形能量分布的光斑就可以有效解决这些问题，环形分布对比与高斯分布，在能量上分布得更为均匀，并且环形光斑的能量分布在边缘，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。现有技术中产生环形光束的主要方法有计算全息法，根据计算全息的原理，利用空间光调制器产生环形光束，通过设计全息图样可以产生任意空间分布的环形光束。这种方式存在一定的损伤阈值，并且由于能量的损耗以及光束的衍射作用，其环形光束的转换效率不高。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提供一种环形光斑的光学***，尤其是一种可变环形光斑的光学***，其中通过对光学***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，通过进一步设置旋转轴以调控***光路中的数量及拓扑荷数，能够改变光斑直径，实现光斑的大小可调，适用于激光切割等多种激光加工领域。激光光束经过准直单元的准直，从相位调制单元中的螺旋相位板一端(如平面端)入射，出射光束被附加相应拓扑荷数的螺旋相位因子，变为环形光束，最后通过聚焦单元的得到环形能量分布的环形光斑。本实用新型可以通过螺旋相位板产生环形光斑，在激光加工技术上具有重大意义，并且可以进一步自主调节螺旋相位板的数量，实现环形聚焦光斑的拓扑荷数可变，在加工不同材料时可根据需求灵活调整。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种环形光斑的光学***，其特征在于，包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，其中，

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；

所述相位调制单元包括位于光路内的至少一个螺旋相位板；任意一个所述螺旋相位板包括两个端面，其中一个端面为平面结构，另一个端面为具有螺旋形状台阶的相对面；并且，对于任意一个螺旋相位板，该螺旋相位板的中心轴线与准直激光束的光束中心相重合，激光束均能够由对应螺旋相位板的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位板的台阶端面入射，经螺旋相位板被附加上螺旋相位因子以进行相位调制，使激光束的能量分布变为环形分布；所述相位调制单元整体通过所述螺旋相位板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；

所述聚焦单元则用于对所述相位被改变的激光束进行聚焦，从而得到环形光斑。

作为本实用新型的进一步优选，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。

作为本实用新型的进一步优选，所述螺旋相位板为多个，对于任意一个拓扑荷数为l螺旋相位板，绕光轴一周的相位改变为2π×l。

作为本实用新型的进一步优选，所述准直单元包括配合使用的透镜组。

作为本实用新型的进一步优选，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种可变环形光斑的光学***，其特征在于，包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，其中，

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；

所述相位调制单元包括位于旋转轴上的若干个螺旋相位板，这些螺旋相位板能够通过绕所述旋转轴旋转切换位于光路内与位于光路外的状态；任意一个所述螺旋相位板包括两个端面，其中一个端面为平面结构，另一个端面为具有螺旋形状台阶的相对面；并且，对于任意一个螺旋相位板，当它被旋转至位于光路内的状态时，该螺旋相位板的中心轴线与准直激光束的光束中心相重合，激光束均能够由对应螺旋相位板的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位板的台阶端面入射，经螺旋相位板被附加上螺旋相位因子以进行相位调制，使激光束的能量分布变为环形分布；所述相位调制单元整体通过所述螺旋相位板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；

所述聚焦单元则用于对所述相位被改变的激光束进行聚焦，从而得到环形光斑；

该可变环形光斑光学***能够通过切换各个螺旋相位板位于光路内与位于光路外的状态，实现可变环形光斑。

作为本实用新型的进一步优选，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。

作为本实用新型的进一步优选，所述螺旋相位板为多个，对于任意一个拓扑荷数为l螺旋相位板，绕光轴一周的相位改变为2π×l。

作为本实用新型的进一步优选，所述准直单元包括配合使用的透镜组。

作为本实用新型的进一步优选，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。

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，本实用新型首次用螺旋相位板这种光学元件产生环形聚焦光斑。本实用新型首次将现有技术中的常规光学元件——螺旋相位板，应用于激光加工，产生环形光斑的相关应用；并且进一步的，通过控制***光路中的螺旋相位板的个数即可调节最终输出激光束的拓扑荷数。而本实用新型利用螺旋相位板产生环形光束，这种方式易于实现，螺旋相位板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，螺旋相位板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。

本实用新型利用螺旋相位板构建相位调制单元，这些螺旋相位板，与现有技术相一致，是一种具有固定折射率的透明板，其一面是平面结构，相对面具有螺旋形状结构(类似于旋转台阶)；螺旋相位板其厚度随着方位角的变化而变化。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，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，i代表复数符号，从而变为环形光束。

当螺旋相位板的折射率、厚度参数以及入射光的波长确定以后，得到的环形光束的拓扑荷数也就随之确定，不能灵活调节；因此本实用新型进一步提出了一种更为优选的环形光斑大小可变的光学***。也就是说，由于一块螺旋相位板当折射率和厚度参数确定以后，只能产生一种拓扑荷数的环形光斑，鉴于此本实用新型通过设计旋转轴能够灵活切换某个螺旋相位板位于光路内与位于光路外的状态，如此，基于环形光束的拓扑荷数叠加原理，利用多块螺旋相位板产生不同拓扑荷数的环形聚焦光斑，进而实现了环形光斑大小可变。

相位调制单元中的螺旋相位板，需要保持光束从螺旋相位板的平面端(或台阶端)入射；当相位调制单元中的螺旋相位板被***光路(即，被旋转至位于光路内的状态)时，螺旋相位板中心必须和激光束中心对准。高斯分布的激光束从每个螺旋相位板的平面端面或每个螺旋相位板的台阶端面入射，光束中心与螺旋相位板中心对齐，出射的光束相位被改变，附加一个螺旋相位因子，能量分布变为环形分布，最后经过聚焦得到环形光斑。

该可变环形光斑的光学***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。本实用新型通过设置位于旋转轴上的若干个螺旋相位板，可以叠加******的螺旋相位片，来改变拓扑荷数，实现环形光斑的可变可调。也就是说，基于本实用新型，通过调整位于光路内的螺旋相位板的数量，可以调节光斑大小。可变环形光斑光学***中的相位调制单元是由若干块螺旋相位板固定在一个旋转轴上，螺旋相位板可以在旋转轴上通过旋转***光路或是从光路中移除(即，切换位于光路内与位于光路外的状态)。当任意一个螺旋相位板被***光路时，螺旋相位板的中心在***中能够与准直单元和聚焦单元对准。

环形光束拓扑荷数满足叠加原理，也就是说，环形光束拓扑荷数大小满足求和关系，比方说，两个拓扑荷数完全相同的环形光束可以叠加成一个两倍拓扑荷数的环形光束，又比方说，如果两个拓扑荷数值相同符号相反的环形光束叠加就形成拓扑荷数为零的光束(也就是平面光场)；因此，通过叠加多个螺旋相位板可以改变环形光束的拓扑荷数l，进而改变最后聚焦得到的环形光斑的大小。

具体说来，本实用新型具有以下特点：

(1)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)通过螺旋相位板产生环形光斑，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)通过螺旋相位板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)根据实际工作的需要，可以自主调节***中螺旋相位片个数，通过叠加多个螺旋相位板的方式，改变其拓扑荷数，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，改变光斑的拓扑荷数，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，利用本实用新型的光学***，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、微型加工等多个领域。本实用新型可以通过螺旋相位板产生环形光斑，在激光加工技术上具有重大意义，并且可以自主调节螺旋相位板的数量，实现环形聚焦光斑的拓扑荷数可变，在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

图1是本实用新型实施例1中的可变环形光斑光学***示意图。

图2是本实用新型的可变环形光斑光学***中的螺旋相位板的结构示意图。

图3是本实用新型实施例1的经过准直后的高斯光束示意图。

图4是本实用新型实施例1的相位调制单元中一块拓扑荷数为1的螺旋相位板的相位图。

图5是本实用新型实施例1的相位调制单元中一块拓扑荷数为2的螺旋相位板的相位图。

图6是本实用新型实施例1中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。

图7是本实用新型实施例1中经过一块拓扑荷数为1的螺旋相位板后聚焦面上的截面光场分布图。

图8是本实用新型实施例1中经过拓扑荷数分别为1和1的两块螺旋相位板后，聚焦面上的截面光场分布图。

图9是本实用新型实施例1中经过拓扑荷数分别为1、1和2的三块螺旋相位板后，聚焦面上的截面光场分布图。

图10是本实用新型实施例2中的可变环形光斑光学***示意图。

图1、图2、图10中各附图标记的含义如下：1为入射激光，2为准直单元，3为切换转轴，4为螺旋相位板，5为聚焦单元，6为聚焦面，7为扫描振镜，8为与扫描振镜7相连的电机，9为另一块扫描振镜，10为与扫描振镜9相连的电机。

具体实施方式

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。

实施例1：

本实用新型的第一种实施例提供的可变环形光斑光学***示意图如图1所示，整个***分为准直单元、相位调制单元和聚焦单元。激光光束通过准直单元的透镜组准直为平行光，然后从相位调制单元中螺旋相位板的平面端入射，出射变为环形光束，其拓扑荷数等于螺旋相位板的拓扑荷数。最后通过聚焦单元中的透镜组聚焦得到环形能量分布的光斑。

如图2所示为本实用新型的可变环形光斑光学***中的螺旋相位板的结构示意图，螺旋相位板是现有技术中的一种光学元件，现有技术中为了便于加工，将螺旋相位板制成台阶状，而根据螺旋相位板的拓扑荷数、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(如，吴明波，《涡旋光束拓扑荷数测量研究》等)；螺旋相位板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。

如图3所示为本实用新型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、聚焦镜的轴线在一条直线上。

如图1所示，本实用新型通过将若干个螺旋相位板固定在一根旋转轴上，可以通过旋转自主地调节***光路***中相位板的个数，也就是说，光路中的螺旋相位板可以根据实际需求灵活切换，例如：

如图4所示为本实用新型的第一种实施例的相位调制单元中一块拓扑荷数为1的螺旋相位板的相位模拟图，光束经过该相位板后会附加上相应的相位因子。

如图5所示为本实用新型的第一种实施例的相位调制单元中一块拓扑荷数为2的螺旋相位板的相位模拟图，光束经过该相位板后会附加上相应的相位因子。

如图6所示为本实用新型的第一种实施例，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，可以看到聚焦光斑的光场分布为高斯分布，光斑半径约为0.1mm。

如图7所示为本实用新型的第一种实施例，经过一块拓扑荷数为1(此时n＝1；当然，n也可以预先设定为等于其他整数，包括正整数和负整数)的螺旋相位板后，聚焦面6所在位置的截面光场分布图。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0.2mm。

如图8所示为本实用新型的第一种实施例，经过拓扑荷数分别为1和1的两块螺旋相位板后，聚焦面6所在位置的截面光场分布图。通过螺旋相位板的拓扑荷数的叠加，可以使环形光斑的拓扑荷数相应地叠加，最终得到的环形光斑的拓扑荷数为2(等于1加1，拓扑荷数满足叠加原理)，相位改变量4π，光斑半径约为0.35mm。

如图9所示为本实用新型的第一种实施例，经过拓扑荷数分别为1、1和2的三块螺旋相位板后，聚焦面6所在位置的截面光场分布图。得到的环形光斑拓扑荷数为4(等于1加1加2，拓扑荷数满足叠加原理)，相位改变量8π，光斑半径约为0.5mm。两个相同拓扑荷数的环形光束可以进行叠加，得到两倍拓扑荷数的环形光束，本实用新型相位调制单元中的若干个螺旋相位板的拓扑荷数应遵循这个规律。

实施例2：

本实用新型的第二种实施例提供的可变环形光斑***的示意图如图10所示，激光光束通过准直单元和相位调制单元后，再通过两个扫描振镜，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，可以改变焦点位置，进行打标。

实施例2的光路，聚焦面上的光场能量分布都与实施例1相一致，由于用螺旋相位板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1在竖直空间上的应用，实施例2主要是在水平空间上的应用。

总体而言，本实用新型中可变环形光斑的光学***，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。

对于螺旋相位板的平面端面和台阶端面，当它们位于光路内的状态时，激光入射方向需要保持一致，例如，第一个螺旋相位板激光可以从台阶面入射，后续的所有的螺旋相位板都要和第一个螺旋相位板的放置方向保持一致，使激光均由对应螺旋相位板的台阶端面入射。

上述实施例是以本实用新型最优技术方案——可变环形光斑的光学***进行详细介绍的，当然，围绕本实用新型最为核心的利用螺旋相位板这种常规光学元件产生环形聚焦光斑这一理念，本实用新型也可以实现固定环形光斑的光学***，该固定环形光斑的光学***同样包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，并且准直单元和聚焦单元可完全参考可变环形光斑的光学***，只有相位调制单元需要调整，此时相位调制单元将不设置旋转轴，而是将数量预先设定的螺旋相位板固定设置在光路内(即，使数量预先设定的螺旋相位板它们可以始终位于光路内)。这些螺旋相位板至少为一个螺旋相位板，当然也可以是多个螺旋相位板。

另外，本实用新型光学***中的准直单元、聚焦单元使用组合的透镜组，减小像差。每个螺旋相位板的拓扑荷数可预先设置，包括位于旋转轴上的各个螺旋相位板，以图1为例，图1所示的5个螺旋相位板，它们的拓扑荷数l分别为n、n、2n、4n、8n，其中n等于1；对于任意一个拓扑荷数为l螺旋相位板，绕光轴一周的相位改变为2π×l。螺旋相位板参考现有技术，可根据螺旋相位板的材料折射率及其拓扑荷数，计算出螺旋相位板的厚度，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板，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。本实用新型光学***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。

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。

Claims (10)

1.一种环形光斑的光学***，其特征在于，包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，其中，

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；

所述相位调制单元包括位于光路内的至少一个螺旋相位板；任意一个所述螺旋相位板包括两个端面，其中一个端面为平面结构，另一个端面为具有螺旋形状台阶的相对面；并且，对于任意一个螺旋相位板，该螺旋相位板的中心轴线与准直激光束的光束中心相重合，激光束均能够由对应螺旋相位板的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位板的台阶端面入射，经螺旋相位板被附加上螺旋相位因子以进行相位调制，使激光束的能量分布变为环形分布；所述相位调制单元整体通过所述螺旋相位板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；

所述聚焦单元则用于对所述相位被改变的激光束进行聚焦，从而得到环形光斑。

2.如权利要求1所述光学***，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。

3.如权利要求1所述光学***，其特征在于，所述螺旋相位板为多个，对于任意一个拓扑荷数为l螺旋相位板，绕光轴一周的相位改变为2π×l。

4.如权利要求1所述光学***，其特征在于，所述准直单元包括配合使用的透镜组。

5.如权利要求1所述光学***，其特征在于，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。

6.一种可变环形光斑的光学***，其特征在于，包括依次沿光路设置的准直单元、相位调制单元和聚焦单元，其中，

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；

所述相位调制单元包括位于旋转轴上的若干个螺旋相位板，这些螺旋相位板能够通过绕所述旋转轴旋转切换位于光路内与位于光路外的状态；任意一个所述螺旋相位板包括两个端面，其中一个端面为平面结构，另一个端面为具有螺旋形状台阶的相对面；并且，对于任意一个螺旋相位板，当它被旋转至位于光路内的状态时，该螺旋相位板的中心轴线与准直激光束的光束中心相重合，激光束均能够由对应螺旋相位板的平面端面入射或者均能够由对应螺旋相位板的台阶端面入射，经螺旋相位板被附加上螺旋相位因子以进行相位调制，使激光束的能量分布变为环形分布；所述相位调制单元整体通过所述螺旋相位板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；

所述聚焦单元则用于对所述相位被改变的激光束进行聚焦，从而得到环形光斑；

该可变环形光斑光学***能够通过切换各个螺旋相位板位于光路内与位于光路外的状态，实现可变环形光斑。

7.如权利要求6所述光学***，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。

8.如权利要求6所述光学***，其特征在于，所述螺旋相位板为多个，对于任意一个拓扑荷数为l螺旋相位板，绕光轴一周的相位改变为2π×l。

9.如权利要求6所述光学***，其特征在于，所述准直单元包括配合使用的透镜组。

10.如权利要求6所述光学***，其特征在于，所述聚焦单元包括配合使用的透镜组。

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