一种实现不同空占比环形光束的整形装置及方法

技术领域

本发明属于光束整形技术领域，更具体地，涉及一种实现不同空占比环形光束的整形装置及方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光被广泛应用于光学精密制造等领域。然而，激光束输出光斑的光强分布通常为高斯型，在一些特殊应用场合，需要将激光束整形为一些特定形式的光强分布，以满足特定的应用需求。衍射光学元件是利用激光的相位特性，对激光束的波前进行调控，使得激光束的光强重新分布，从而实现光束整形。将高斯光束整形为环形光束的常用的衍射光学元件有衍射轴棱锥、螺旋相位板和随机相位板，然而衍射轴棱锥和螺旋相位板调制得到的环形光束会在光斑中心产生一个奇点，使得其实际应用受到一定的限制，而随机相位板则依赖于优化算法来求解，对于不同占空比的环形光束需要单独设计，且容易陷入局部最优解，而使得其光束整形效果受到一定的局限性。现有的占空比环形光束系统的设计结构复杂，调解占空比时需要重复设计。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置及方法，可有效提升实现不同占空比环形光束的效率。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

具体的，本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：

激光器，衍射光学元件，聚焦透镜；

所述的激光器用于发射激光光束到所述的衍射光学元件上；

所述的衍射光学元件用于对激光光束进行整形，得到不同占空比的环形光束；

所述的聚焦透镜用于将不同占空比的环形光束成像在焦平面上。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的激光器的输出光束为高斯光束。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述高斯光束的束腰半径为ω

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的激光器具有较好的光束质量，包括但不限于半导体激光器、光纤激光器等，激光器的输出波长包括但不限于可见光、红外波段。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的衍射光学元件的相位分布为圆对称结构，其中间环带与其他区域的相位差为π，加工深度D＝λ/(2n-2)，

其中，n为衍射光学元件材料的折射率，λ为激光器的波长。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的衍射光学元件的中间环带的内径为r

其中，k为环带系数，取值范围为0.7～1.5。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的衍射光学元件为加工的相位元件，有且仅有两种相位值：0和π。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的衍射光学元件为加载在空间光调制器上的相位信息。

作为本发明实施例技术方案进一步的限定，所述的聚焦透镜是具有聚焦功能的透镜，例如可以为傅里叶透镜。

为实现上述目的，本发明实施例还提供如下技术方案：

具体的，本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器发射激光光束到所述的衍射光学元件上对激光光束进行整形，得到环形光束；

S2.调整所述的衍射光学元件的环带系数k，得到不同占空比的环形光束；

S3.将得到的不同占空比的环形光束成像在所述的聚焦透镜的焦平面上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置及方法，通过给定中间环带的内外径参数与入射激光束腰半径的比例关系，可在透镜焦平面上得到环形光束；在保持中间环带的内外径参数之比的情况下，通过调整环带系数改变衍射光学元件的相位分布实现环形光束占空比的连续调整，可有效提升实现不同占空比环形光束的效率，进一步提升激光在精密制造等领域的加工效率，拓展其应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的实现不同占空比环形光束的整形装置示意图；

图2为本发明实施例的实现不同占空比环形光束的整形装置的衍射光学元件相位分布示意图；

图3为本发明实施例1中实现不同占空比环形光束的整形方法的结果示意图；

图4为本发明实施例2中实现不同占空比环形光束的整形方法的结果示意图；

图5为本发明实施例的实现不同占空比环形光束的整形方法流程示意图。

其中，1-激光器、2-衍射光学元件、3-聚焦透镜。

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。

为解决上述问题，本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置及方法，可有效提升实现不同占空比环形光束的效率。

具体的，如图1所示，本发明提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：

激光器1，衍射光学元件2，聚焦透镜3；

所述的激光器1用于发射激光光束到所述的衍射光学元件2上；

所述的衍射光学元件2用于对激光光束进行整形，得到不同占空比的环形光束；

所述的聚焦透镜3用于将不同占空比的环形光束成像在焦平面上。

优选的，所述的激光器1的输出光束为高斯光束，所述高斯光束的束腰半径为ω

优选的，所述的衍射光学元件2的相位分布为圆对称结构，其中间环带与其他区域的相位差为π，所述的衍射光学元件2为加工的相位元件，有且仅有两种相位值：0和π。

如图2所示，所述的衍射光学元件2的白色区域代表的相位值为0，灰色区域代表的相位值为π，对应的相位为π的位置的加工深度D＝λ/(2n-2)，

其中，n为衍射光学元件材料的折射率，λ为激光器的波长。

衍射光学元件的相位是依赖于其加工结构的高度差来调控，本发明通过控制衍射光学元件的加工深度控制衍射光学元件的不同区域的相位差。

灰色区域的内环半径大小r

其中，k为环带系数，取值范围为0.7～1.5，其作用在于调制整形得到的环形光束的占空比，本发明通过控制衍射光学元件的加工深度控制衍射光学元件的不同区域的相位差，并通过环带系数k来调节控制光场占空比。

优选的，所述的衍射光学元件2还可以为加载在空间光调制器上的相位信息。

优选的，所述的聚焦透镜3是具有聚焦功能的透镜，可以为包括但不限于傅里叶透镜，可以将高斯光束整形得到的环形光束成像在聚焦透镜3的焦平面上。

具体的，本发明还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器发射激光光束到所述的衍射光学元件上对激光光束进行整形，得到环形光束；

S2.调整所述的衍射光学元件的环带系数k，得到不同占空比的环形光束；

S3.将得到的不同占空比的环形光束成像在所述的聚焦透镜的焦平面上。

实施例1

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝0.8，得到占空比为1:2.5的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:2.5的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布如图3所示。

实施例2

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝1.5，得到占空比为1:1.3的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:1.3的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布如图4所示。

实施例3

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝1.5，得到占空比为1:1.3的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:1.3的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布。

实施例4

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝1.5，得到占空比为1:1.3的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:1.3的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布。

实施例5

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝0.8，得到占空比为1:2.5的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:2.5的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布。

实施例6

本发明实施例提供一种实现不同空占比环形光束的整形装置，包括：激光器1、衍射光学元件2以及聚焦透镜3；

所述激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

如图5所示，本发明实施例还提供一种实现不同空占比环形光束的整形方法，包括如下步骤：

S1.激光器1发射波长λ为532nm、束腰半径ω

S2.调整所述的衍射光学元件2的环带系数k＝0.8，得到占空比为1:2.5的环形光束；

S3.将得到的占空比为1:2.5的环形光束成像在所述的聚焦透镜3的焦平面上，其衍射光学元件2的相位分布和聚焦透镜3焦平面的光强分布。

本发明通过给定中间环带的内外径参数与入射激光束腰半径的比例关系，可在透镜焦平面上得到环形光束；在保持中间环带的内外径参数之比的情况下，通过调整环带系数改变衍射光学元件的相位分布实现环形光束占空比的连续调整，可有效提升实现不同占空比环形光束的效率，进一步提升激光在精密制造等领域的加工效率，拓展其应用范围。

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，并不用于限制本发明，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。