CN100580500C - 准双半高斯空心激光束形成装置 - Google Patents

Abstract

准双半高斯空心激光束形成装置在一定程度上实现了高斯实心激光束向双半高斯空心激光束的转换，属于激光技术领域。已知采用几何光学法的空心激光束产生装置其不足在于，所形成的空心激光束光强仍为双高斯分布，尚未成为一种实用的空心激光束。本发明准双半高斯空心激光束形成装置依次由凹球面反射镜、正轴锥面反射镜、正透镜组成，三者光学同轴，正轴锥面反射镜的锥面与凹球面反射镜的凹球面相对，凹球面反射镜的中心开有入射孔，正透镜的物方焦点与凹球面反射镜反射光线会聚点重合。本发明之装置所形成的空心激光束光强分布接近双半高斯分布状态，是一种实用的准双半高斯空心激光束，应用于激光加工、原子冷却、生物工程等领域。

Description

准双半高斯空心激光束形成装置

技术领域

本发明涉及一种准双半高斯空心激光束形成装置，在一定程度上实现了高斯实心激光束向双半高斯空心激光束的转换，属于激光技术领域。

背景技术

理想的空心激光束的特点是内壁光强分布陡直，空心区域完全无光，见图1所示，称之为双半高斯空心激光束。接近理想的空心激光束也就是实用的空心激光束可应用于激光加工、原子冷却、生物工程等领域。到目前为止，就空心激光束的形成已经提出多种方案，如横模选择法、几何光学法、光学全息法、计算全息法、模式转换法、旋转棱镜法等，这些方案能够实现图2所示的高斯实心激光束向图3所示的双高斯空心激光束的转换，可见，所获得的空心激光束内壁光强分布并非陡直，且空心区域并非完全无光。为了获得理想的空心激光束，申请号为200410016728.X的一件中国发明专利申请公开了一项属于几何光学法的名称为单角锥准直空心激光束产生装置的技术方案，见图4所示，该装置的结构为，在单角锥1和后置反射镜2组合的前方，设置一面中间有小孔3的前置反射镜4，小孔3位于光路光轴上，入射激光自该小孔3入射，经单角锥1和后置反射镜2，再反射回来进入单角锥1偏转后被前置反射镜4反射形成准直空心激光束5，不过，经实验测试其光强仍为双高斯分布。这一技术效果与Yong Qian(钱勇)和Yuzhu Wang(王育竹)在CHINESE OPTICS LETTERS/Vol.2，No.4/April 10，2004发表的题为Theoretical analysis of a collimated hollow-laser-beam generatedby a single axicon using diffractive integral的论文中分析的双高斯分布相符，其效果仅在于提高了空心激光束空心区域的无光程度。

发明内容

所述已知技术其不足在于，所形成的空心激光束光强仍为双高斯分布，尚未成为一种实用的空心激光束，因此，为了获得内壁光强分布陡直，同时空心区域的无光程度进一步降低的实用空心激光束，我们发明了本发明之准双半高斯空心激光束形成装置。

本发明是这样实现的，见图5、图6所示，准双半高斯空心激光束形成装置依次由凹球面反射镜6、正轴锥面反射镜7、正透镜8组成，三者光学同轴，正轴锥面反射镜7的锥面与凹球面反射镜6的凹球面相对，凹球面反射镜6的中心开有入射孔9；凹球面反射镜6与正轴锥面反射镜7参数匹配关系及位置关系应当符合下列公式要求：

$x=\frac{-y_A}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}/2)}+x_A$

式中： $\mathrm{\α}=\arcsin \left[\frac{(R/2-l)\sin \mathrm{\θ}}{R}\right]$

凹球面反射镜6的凹球面球心O为坐标原点，光轴与横坐标重合，R为凹球面半径，θ为正轴锥面反射镜7锥面的锥角，l为正轴锥面反射镜7锥面的锥顶到凹球面反射镜6焦点O′的距离，A(x_A，y_A)为入射实心高斯激光束中任意一根由正轴锥面反射镜7反射的光线与凹球面反射镜6的交点，α为相交于点A(x_A，y_A)的正轴锥面反射镜7反射光线与过点A(x_A，y_A)凹球面半径R之间的夹角，凹球面反射镜6反射光线与光轴相交于点O″，x为点O″横坐标值；正透镜8的物方焦点与点O″重合，f为正透镜8的物方焦距。

本发明之装置的技术效果在于，入射实心高斯激光束的中心光线A光强I最强，与中心光线A相距光斑半径r的边缘光线B的光强I最弱。入射实心高斯激光束自入射孔9入射，照射到正轴锥面反射镜7的反射锥面上，反射后被转换成发散的空心圆锥激光束，再经凹球面反射镜反射，转换为汇聚的空心圆锥激光束，且中心光线A、边缘光线B以及介于二者之间的过渡光线均通过光轴上的一点O″，再经正透镜8转换为准直的空心圆柱激光束，其光斑呈环形，见图7所示。环形光斑内壁光线A是入射实心高斯激光束中心光线A，光强I最强，环形光斑外壁光线B是入射实心高斯激光束边缘光线B，光强I最弱，光强分布实验测试结果见图8所示，呈接近双半高斯分布状态，是一种准双半高斯空心激光束，实现了发明目的。

附图说明

图1是双半高斯空心激光束光强分布示意图。图2是高斯实心激光束光强分布示意图。图3是双高斯空心激光束光强分布示意图。图4是已知单角锥准直空心激光束产生装置结构及准直空心激光束产生过程示意图。图5是本申请准双半高斯空心激光束形成装置结构及准双半高斯空心激光束形成过程示意图，该图兼作为摘要附图。图6是本申请准双半高斯空心激光束形成装置中凹球面反射镜与正轴锥面反射镜参数匹配关系及位置关系示意图。图7是本申请准双半高斯空心激光束环形光斑示意图。图8是本申请准双半高斯空心激光束光强分布实验测试曲线图。

具体实施方式

见图5、图6所示，双半高斯空心激光束形成装置依次由凹球面反射镜6、正轴锥面反射镜7、正透镜8组成，三者光学同轴，正轴锥面反射镜7的锥面与凹球面反射镜6的凹球面相对。凹球面反射镜6、正轴锥面反射镜7采用金属或者玻璃材料制作，凹球面、锥面为光学抛光，并镀有金属或介质反射膜。凹球面反射镜6、正轴锥面反射镜7属于光学反射镜。凹球面反射镜6的中心开有入射孔9，其孔径大于等于入射实心高斯激光束直径。正轴锥面反射镜7的底面与平面镜10一侧镜面粘接，平面镜10采用抗损伤阈值高、对工作波长激光透过率高的玻璃材料制作，起支撑正轴锥面反射镜7的作用，同时透过由凹球面反射镜6反射的光。凹球面反射镜6与正轴锥面反射镜7参数匹配关系及位置关系应当符合下列公式要求：

$x=\frac{-y_A}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}/2)}+x_A$

式中： $\mathrm{\α}=\arcsin \left[\frac{(R/2-l)\sin \mathrm{\θ}}{R}\right]$

凹球面反射镜6的凹球面球心O为坐标原点，光轴与横坐标重合，R为凹球面半径，θ为正轴锥面反射镜7锥面的锥角，l为正轴锥面反射镜7锥面的锥顶到凹球面反射镜6焦点O′的距离，A(x_A，y_A)为入射实心高斯激光束中任意一根由正轴锥面反射镜7反射的光线与凹球面反射镜6的交点，α为相交于点A(x_A，y_A)的正轴锥面反射镜7反射光线与过点A(x_A，y_A)凹球面半径R之间的夹角，凹球面反射镜6反射光线与光轴相交于点O″，x为点O″横坐标值；正透镜8的物方焦点与点O″重合，f为正透镜8的物方焦距。

上表给出的十三组参数数据对应十三个具体方案。例如第9组参数所对应的方案为，入射实心高斯激光束直径为2mm，凹球面半径R为20mm，锥面锥角θ为120°，锥面底面直径Φ为6mm，正轴锥面反射镜7锥面的锥顶到凹球面反射镜6焦点O′的距离l为4.5mm，平面镜10的厚度d为1.5mm，通光孔径D₁为20mm，正透镜8的物方焦距f为40mm，两球面的曲率半径R₁、R₂相等，均为43.2mm，通光孔径D₂为18mm。

Claims (5)

1、一种准双半高斯空心激光束形成装置，其特征在于，该装置依次由凹球面反射镜(6)、正轴锥面反射镜(7)、正透镜(8)组成，三者光学同轴，正轴锥面反射镜(7)的锥面与凹球面反射镜(6)的凹球面相对，凹球面反射镜(6)的中心开有入射孔(9)；凹球面反射镜(6)与正轴锥面反射镜(7)参数匹配关系及位置关系应当符合下列公式要求：

$x=\frac{-y_A}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}/2)}+x_A$

式中： $\mathrm{\α}=\arcsin \left[\frac{(R/2-l)\sin \mathrm{\θ}}{R}\right]$

凹球面反射镜(6)的凹球面球心O为坐标原点，光轴与横坐标重合，R为凹球面半径，θ为正轴锥面反射镜(7)锥面的锥角，l为正轴锥面反射镜(7)锥面的锥顶到凹球面反射镜(6)焦点O′的距离，A(x_A，y_A)为入射实心高斯激光束中任意一根由正轴锥面反射镜(7)反射的光线与凹球面反射镜(6)的交点，α为相交于点A(x_A，y_A)的正轴锥面反射镜7反射光线与过点A(x_A，y_A)凹球面半径R之间的夹角，凹球面反射镜(6)反射光线与光轴相交于点O″，x为点O″横坐标值；正透镜(8)的物方焦点与点O″重合，f为正透镜(8)的物方焦距。

2、根据权利要求1所述空心激光束形成装置，其特征在于，凹球面反射镜(6)和正轴锥面反射镜(7)采用金属或者玻璃材料制作，凹球面和锥面为光学抛光，并镀有金属反射膜；凹球面反射镜(6)和正轴锥面反射镜(7)属于光学反射镜。

3、根据权利要求1所述空心激光束形成装置，其特征在于，入射孔(9)孔径大于等于入射实心高斯激光束直径。

4、根据权利要求1所述空心激光束形成装置，其特征在于，在正轴锥面反射镜(7)的底面粘接有平面镜(10)，平面镜(10)采用抗损伤阈值高且对工作波长激光透过率高的玻璃材料制作。

5、根据权利要求1所述空心激光束形成装置，其特征在于，正透镜(8)的两球面的曲率半径R₁、R₂相等。

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