[发明专利]一种光束整形的光学系统

说明书

本发明公开了一种光束整形的光学系统，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；其中，高斯分布的线偏振光以45°入射角入射到偏振平板分束镜，分离为偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，第一光束经过螺旋相位板后能量分布由高斯分布变为环形分布，得到涡旋光；第二光束保持高斯分布不变，第一光束和第二光束分别在两个光路上等距传输至第一偏振分光棱镜进行合束，第一偏振分光棱镜通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑。该光学系统可以对光束进行整形从而获得能量分布均匀，抗失调特性优良的类平顶圆形光斑，适用于激光熔覆等多种激光加工领域。

技术领域

本发明属于激光光学应用领域，更具体地，涉及一种光束整形的光学系统。

背景技术

普通高斯光束的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，当使用高斯能量分布的激光进行激光加工时，功率大则中心能量过高，容易出现烧蚀、气孔等现象，而功率低则边缘能量不足会出现加工不完全的情况，在高功率激光焊接、熔覆、表面改性等加工领域该缺陷尤为明显。所以能量均匀分布的光斑在激光光学应用领域更具优势，故研究一种光束整形的光学系统具有重要意义。

现有的光束整形技术通常选择衍射光学元件来获得平顶圆形光斑，平顶圆形光斑的能量分布相对高斯能量分布具有高均匀性，但是这种传统基于衍射光学元件设计的平顶圆形光斑十分敏感，其能量分布极易受入射光斑尺寸、入射光束的中心偏移、工作距离的波动等因素的影响，并且均匀性在后续传播过程中会持续降低，在实际加工过程中很难达到要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光束整形的光学系统，其目的在于解决现有技术无法稳定的获得能量均匀分布的光斑的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光束整形的光学系统，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；

偏振平板分束镜用于将能量呈高斯分布的线偏振光分离为偏振方向相互垂直的两束光，分别记为第一光束和第二光束；

其中，线偏振光以45°的入射角入射到偏振平板分束镜中；螺旋相位板和第一全反镜片依次设置在第一光束的光路上；第二全反镜片设置在第二光束的光路上；

螺旋相位板用于将第一光束的能量分布由高斯分布转换为环形分布，得到涡旋光；

第一全反镜片用于将涡旋光反射至第一偏振分光棱镜上；

第二全反镜片用于将第二光束反射至第一偏振分光棱镜上；

第一偏振分光棱镜用于将涡旋光和第二光束进行合束，通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑；

第二光束和第一光束从偏振平板分束镜到第一偏振分光棱镜的光路距离相等，以使第二光束与涡旋光的能量比例保持固定。

进一步优选地，上述光束整形的光学系统，还包括：二分之一波片和第二偏振分光棱镜；

二分之一波片和第二偏振分光棱镜依次放置在第二光束的光路上，位于上述第二全反镜片和第一偏振分光棱镜之间；通过旋转二分之一波片调节上述第二光束与涡旋光的能量比例。

进一步优选地，上述线偏振光的波长与功率与偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜相匹配。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数不同，第二光束与涡旋光的能量比例不同；通过调整上述螺旋相位板的拓扑数控制上述类平顶圆光斑的直径和能量。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数为1时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.66:1。

进一步优选地，上述螺旋相位板的拓扑数为2时，第二光束与涡旋光的能量比例为0.37:1。