一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置及切割方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置及方法，包括发射激光束的激光光源

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置及切割方法


[0001]本专利技术属于激光加工领域，具体涉及一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置及切割方法
。

技术介绍

[0002]在精密加工中，目前特性光束搭载的高斯光束和平顶光束在光束整体动态特性情况下，对钛合金的烧蚀和碎屑还是会受到消融阈值影响，从而产生切割表面不良特性的问题
。
尤其是很多激光头采用高斯光束进行激光切割，但是高斯光束的能量密度集中，会导致能量密度过高情况下的过烧问题，以及能量密度低情况下的熔池流动性差的问题
。
[0003]涡旋光束是一类具有环形光强分布，螺旋型波前结构的光束，除了具有自旋角动量还额外具有轨道角动量
。
由于带有轨道角动量的涡旋光束的动力学性质和量子性质，其具有螺旋形相位波前带来中心相位奇点，从而产生中空光强分布的旋转光束，其在微粒操控
、
高容量高速率的大规模光通信
、
量子信息处理
、
超分辨微成像等许多领域具有重要港在价值与应用，吸引了人们越来越多的关注与研究兴趣，同时其在传输过程中，光束中心具有相位奇点，在奇点处光强为零
、
无加热效应
、
无衍射效应
。
[0004]因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种基于动态光束搭载搭载涡旋光束优化加工表面特性的激光切割方法
。

技术实现思路

[0005]针对相关技术中的问题，本专利技术目的之一是提出一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，基于动态光束搭载的可变轨道角动量
OAM
来进一步优化加工表面特性，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题
。
[0006]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，包括发射激光束的激光光源
、
对激光束进行准直配光的准直镜
、
对激光束光路进行改变的反射镜
、
对激光束进行
X/Y
轴方向偏转的旋转镜组件
、
对激光束进行聚焦的聚集镜组件，
[0008]在所述反射镜和所述旋转镜组件之间设置涡旋光束生成元件，经所述反射镜反射后的激光束在所述涡旋光束生成元件上生成可调轨道角动量的涡旋光束，通过施加电场完成所述所述涡旋光束的轨道角动量的生成和切换；
[0009]通过驱动所述旋转镜组件绕转轴方向往复摆角以实现焦点光斑在
X/Y
轴方向的高频动态振动，通过驱动所述聚焦镜组件沿光轴方向振动或往复摆动以实现焦点光斑在
Z
轴方向的高频动态振动，形成具有三维动态轮廓的双螺旋三维轨迹动态光束；
[0010]通过三维轨迹的双螺旋轨迹搭配可调轨道角动量涡旋光束，使经过聚焦的激光束射至待切割的物料上，控制激光束的焦点光斑落在待切割的物料内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对物料切割
。
[0011]优选的，可调轨道角动量的涡旋光束经所述旋转镜组件完成涡旋光束的
X/Y
轴方
向偏转，然后利用聚焦镜组件对准直激光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待切割的物料上，控制激光的焦点光斑落在待切割的物料内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对物料的切割
。
[0012]优选的，在所述准直镜和所述反射镜之间设置有格林偏振器，所述格林偏振器用于对经过所述准直镜后的准直激光束进行偏振，然后偏振后的激光束经过所述反射镜反射至所述涡旋光束生成元件上
。
[0013]这样设置，可以使得经过准直后的准直激光束经过格林偏振器后获得偏振激光束
。
[0014]优选的，在所述格林偏振器和所述准直镜之间还设置有
λ
/2
波片
。
[0015]这样设置，可以通过
λ
/2
波片使准直激光束两个振动方向相互垂直的偏振分量间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振特性，经过
λ
/2
波片的激光束在通过格林偏振器后，能够将入射激光束或光场的透射
e
偏振分量的散射降到最少
。
[0016]优选的，在所述涡旋光束生成元件和所述旋转镜组件之间设置有
λ
/4
波片，所述涡旋光束在所述
λ
/4
波片中快轴方向与水平方向有夹角
。
涡旋光束在波片中传播速度慢的光矢量
(Light vector)
方向为慢轴，在波片中传播速度快的光矢量方向为快轴
。
[0017]优选的，涡旋光束在所述
λ
/4
波片中快轴方向与水平方向的夹角为
‑
45
°
，所述涡旋光束的轨道角动量的切换时间为2～
6ms。
[0018]优选的，其特征在于，所述涡旋光束生成元件为液晶叉形偏振光栅
、
螺旋波带片
、
空间光调制器
、
超表面元件
、q
波片或模式转换器中的一种
。
[0019]优选的，所述涡旋光束生成元件为液晶叉形偏振光栅，液晶叉形偏振光栅上的每个像元在光束横截面上的相应位置
(x,y)
处生成相移
Oxy
，激光束在所述液晶叉形偏振光栅上反射后，涡旋光束的偏振矢量的水平分量相对于垂直分量延迟了
Φ
xy
量；
[0020]当
Φ
xy
＝0时，产生的偏振是线性的
,
即产生的是线偏振光；偏振是指光波中各个方向的偏振分量的相对大小和相位关系
,
可以是线偏振
、
圆偏振
、
椭圆偏振等；
[0021]当
Фxy
＝
λ
/4
时，产生的极化是圆形的，即产生的是圆偏振光；极化是电磁波中电场矢量的振动方向在特定平面内的现象；
[0022]当
Φ
xy
量在其他情况下，产生的极化是椭圆形的，即产生的是椭圆偏振光
。
[0023]优选的，所述液晶叉形偏振光栅
(FPG)
的相位配置调节参照如下设定：
[0024][0025][0026][0027][0028]其中，
Txy
为
λ
/2
波片和涡旋光束生成元件这两个元件的相位调节输出相位，
Q
为
λ
/
4
波片相位，
P
对应液晶叉形偏振光栅像元位置
,xy
对应相位，
Pxy
为液晶叉形偏振光栅像元位置
xy
处的对应相位，
e
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，包括发射激光束的激光光源
、
对激光束进行准直配光的准直镜
、
对激光束光路进行改变的反射镜
、
对激光束进行
X/Y
轴方向偏转的旋转镜组件
、
对激光束进行聚焦的聚集镜组件，其特征在于，在所述反射镜和所述旋转镜组件之间设置涡旋光束生成元件，经所述反射镜反射后的激光束在所述涡旋光束生成元件上生成可调轨道角动量的涡旋光束，通过施加电场完成所述所述涡旋光束的轨道角动量的生成和切换；通过驱动所述旋转镜组件绕转轴方向往复摆角以实现焦点光斑在
X/Y
轴方向的高频动态振动，通过驱动所述聚焦镜组件沿光轴方向振动或往复摆动以实现焦点光斑在
Z
轴方向的高频动态振动，形成具有三维动态轮廓的双螺旋三维轨迹动态光束；通过三维轨迹的双螺旋轨迹搭配可调轨道角动量涡旋光束，使经过聚焦的激光束射至待切割的物料上，控制激光束的焦点光斑落在待切割的物料内，沿预定的切割轨迹移动激光切割的焦点光斑，完成对物料切割
。2.
根据权利要求1所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，其特征在于，在所述准直镜和所述反射镜之间设置有格林偏振器，所述格林偏振器用于对经过所述准直镜后的准直激光束进行偏振，然后偏振后的激光束经过所述反射镜反射至所述涡旋光束生成元件上
。3.
根据权利要求2所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，其特征在于，在所述格林偏振器和所述准直镜之间还设置有
λ
/2
波片
。4.
根据权利要求1所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，其特征在于，在所述涡旋光束生成元件和所述旋转镜组件之间设置有
λ
/4
波片，所述涡旋光束在所述
λ
/4
波片中快轴方向与水平方向有夹角
。5.
根据权利要求1‑4任一项所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，其特征在于，所述涡旋光束生成元件为液晶叉形偏振光栅
、
螺旋波带片
、
空间光调制器
、
超表面元件
、q
波片或模式转换器中的一种
。6.
根据权利要求5所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调节装置，其特征在于，所述涡旋光束生成元件为液晶叉形偏振光栅，液晶叉形偏振光栅上的每个像元在光束横截面上的相应位置
(x,y)
处生成相移
Oxy
，激光束在所述液晶叉形偏振光栅上反射后，涡旋光束的偏振矢量的水平分量相对于垂直分量延迟了
Φ
xy
量；当
Φ
xy
＝0时，产生的偏振是线性的；当
Фxy
＝
λ
/4
时，产生的极化是圆形的；当
Φ
xy
量在其他情况下，产生的极化是椭圆形的
。7.
根据权利要求6所述的基于涡旋光束的动态光斑切割调...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，常勇，
申请(专利权)人：广东宏石激光技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：