CN102135665A - 将高斯光束整形为平顶光束的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种将高斯光束整形为平顶光束的装置和方法。该装置主要由四部分组分，依次为可变倍扩束镜组、非球面镜组、倒置定倍扩束镜组、正置定倍扩束镜组。在前端，采用可变倍扩束镜可先对任意腰斑半径的输入高斯光束进行扩束匹配，然后再输入到非球面镜组，得到只能近场传播的平顶光束。为了得到光束质量很好的能够远场传播的的平顶光束，接着用一组倒置定倍扩束镜进行扩束，远场传播一段距离后，然后再进行缩束，这样能在系统的输出端得到光强分布均匀性好的平顶光束。该装置灵活性很高，可控性好，能对任意腰斑半径的高斯光束进行扩束，同时克服了平顶光束直接从非球面组出来后光束质量会变差的问题。

Description

将高斯光束整形为平顶光束的装置和方法

技术领域

本发明是一种将激光光束整形为平顶光束的装置和方法，可将一定孔径范围内的任意腰斑半径的高斯光束整形为平顶光束，在装置前端采用可变倍扩束镜对高斯光束进行光束匹配，在装置后端添加两组扩束镜，使平顶光束能够远场传播而不致使光束质量变差。该装置属于激光光学领域。

背景技术

在激光的许多实际应用中，例如激光全息、激光材料加工、激光医疗等领域，常要求光强空间分布均匀的激光光束，而从激光器中直接出来的光束通常为高斯光束，而且对于不同的激光器，束腰半径是不相等的，因此需要通过激光光束整形装置，才能将高斯光束整形为光强均匀分布的平顶光束。光束的空间整形方法很多，利用非球面透镜组、二元相位、振幅调制光栅、相位型光束整形、衍射光学元件、微透镜阵列整形、双折射透镜组、液晶空间光调制器等均可将高斯光束整形为平顶光束。但相比较而言，非球面透镜组的方法结构简单，整形效果好，实现相对容易。

在以往的非球面镜整形装置中，一组非球面镜只能对特定束腰半径的高斯光束进行整形，灵活性不高，因此，我们采用了可变倍扩束镜组先对输入高斯光束进行扩束，然后再输入到非球面镜组。这样，该激光整形装置几乎可以对一定孔径范围内的任意束腰半径的高斯光束进行整形；另外，从非球面镜组输出的平顶光束如果不经过扩束，光束质量会随着传播距离的增加迅速变差，因此，我们在非球面镜组的输出端又采用了两组定倍扩束镜，这样能在装置的输出端得到光强分布均匀性好的平顶光束。

发明内容

本发明的目的在针对一种非球面整形装置只能整形一定腰斑半径的高斯光束和平顶光束从非球面镜直接出来传播一段距离后质量变差的问题，在非球面镜组的前端采用了连续可调的可变倍扩束镜，可将一定孔径范围内的任意束腰半径的高斯光束扩束或缩束为与非球面镜组所要求的输入高斯光束束腰即匹配。在后端采用了两组定倍扩束镜，能保持平顶光束的光束质量在较好的条件下传播更远。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种将高斯光束整形为平顶光束的装置，其特征在于：该装置由四部分组成，依次为可变倍扩束镜组、非球面镜组、倒置定倍扩束镜组、正置定倍扩束镜组；

所述的可变倍扩束镜组由三片透镜组成，依次为平凸镜I1、平凹镜2、平凸镜II3；

所述的非球面镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，开普勒型非球面镜由2片非球面面形不同的平凸非球面镜组成，伽利略型非球面镜由1片平凹非球面镜与1片平凸非球面镜组成；

所述的倒置定倍扩束镜组和正置定倍扩束镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，两者类型任意搭配。

所述的可变倍扩束镜组中，固定平凹镜2，平凸镜I1与平凹镜2的距离d₁₂、平凸镜I1与平凹镜2的距离d₂₃，平凸镜I1、平凸镜II3移动量分别为：

$\mathrm{\Δ}{d}_{12}=-\frac{{f_2}^2}{{\mathrm{Mf}}_1}+d_{12}-f_1-f_2---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{d}_{23}=\frac{1-(d_{12}-\mathrm{\Δ}{d}_{12})f_2}{f_1+f_2-(d_{12}-{\mathrm{\Δd}}_{23})}+(f_3-d_{23})---\left(2\right)$

Δd₁₂表示平凸镜I1的移动距离，Δd₂₃表示平凸镜II3的移动距离，移动量Δd₁₂为正值时表示靠近平凹镜2，负值时表示远离平凹镜2，Δd₂₃为正值时表示远离平凹镜2，负值时表示靠近平凹镜2。

f₁为平凸镜I1的焦距，f₂为平凹镜2的焦距，f₃为平凸镜II3的焦距；

M为选择扩束倍率；

倒置定倍扩束镜组与正置定倍扩束镜组之间的距离d_AB可调。

本发明可以取得如下有益效果：

与以往的激光光束整形装置只能整形固定腰斑半径的高斯光束相比，该装置可将一定孔径范围内的任意腰斑半径的高斯光束整形为平顶光束，而且在非球面镜的后端添加两组扩束镜A、B之后，相比于末添加扩束镜，可以在保持平顶光束质量和均匀性较好的情况下传输更远的距离。

附图说明

图1为高斯光束整形为平顶光束的开普勒型整形装置的光路图；

图2为高斯光束整形为平顶光束的伽利略型整形装置的光路图；

图3为未添加扩束组A、B时平顶光束光强分布随传播距离的变化；D为平顶光束传播距离，图中横坐标为半径，纵坐标为光强

图4为添加扩束组A、B后平顶光束光强分布随传播距离的变化D为平顶光束传播距离，图中横坐标为半径，纵坐标为光强

图中：1、平凸镜I，2、平凹镜，3、平凸镜II，4、平凸非球面透镜I， 5、平凸非球面透镜II，6、凹透镜I，7、凸透镜I，8、凸透镜II，9、凹透镜II，10、平凹非球面透镜，11、平凸非球面透镜III；

在图3和图4中，D为平顶光束传播距离，图中横坐标为半径，纵坐标为光强。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，该装置由四部分组成，依次为可变倍扩束镜组、非球面镜组、倒置定倍扩束镜组、正置定倍扩束镜组；

所述的可变倍扩束镜组由三片透镜组成，依次为平凸镜I1、平凹镜2、平凸镜II3；

所述的非球面镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，开普勒型非球面镜由2片非球面面形不同的平凸非球面镜组成，伽利略型非球面镜由1片平凹非球面镜与1片平凸非球面镜组成；

所述的倒置定倍扩束镜组和正置定倍扩束镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，两者类型任意搭配。

其中平凸镜I1、平凹镜2、平凸镜II3构成可变倍扩束镜组，平凸非球面透镜I4、平凸非球面透镜II构成开普勒型非球面镜组5，凹透镜6、凸透镜构成正置定倍扩束镜组A，凸透镜9、凹透镜构成倒置定倍扩束镜组B。

为高斯光束整形为平顶光束的整形装置的光路图。高斯光束由左端输入，根据输入的高斯光束束腰半径大小，固定透镜2，根据式1、式2，调整平凸镜I1与平凹镜2之间的距离d₁₂、平凹镜2与平凸镜II3之间的距离d₂₃，移 动量按式1、式2进行，使之从可变倍扩束镜中出来的高斯光束束腰半径与非球面镜组所要求的输入高斯光束束腰半径相等，当从非球面镜组中输出平顶光束后，再通过倒置伽利略型定倍扩束镜组A进行扩束、正置定倍扩束镜组B进行缩束，然后根据实际应用中对光束质量的要求，调整依据是传播距离越远，光束质量会变得越差，调整扩束镜组A与扩束镜组B之间的距离d_AB，即可得到所要求的平顶光束。

由于输出的平顶光束发散角大，衍射明显，平顶光束在传播一段距离后，光束质量会迅速变差，均匀性下降明显，因此，本发明为了保持光束的均匀性，先用倒置伽利略型扩束镜扩束，使其传播一段距离后，再用正置伽利略型扩束镜进行缩束。附图3是没有添加定倍扩束镜组A、B时的仿真结果，附图4本发明添加了定倍扩束镜组A、B时的仿真结果，从两图对比中可以看到，添加了扩束镜组能保持平顶光束的光束质量在较好的条件下传播更远。

实施例2：

平凸镜I1、平凹镜2、平凸镜II3构成可变倍扩束镜组，凹透镜6、凸透镜构成正置定倍扩束镜组A，凸透镜9、凹透镜构成倒置定倍扩束镜组B，平凹非球面透镜10、平凸非球面透镜III11构成伽利略型非球面镜组。将图1中的开普勒型非球面镜组替换为伽利略型非球面镜组，如图2所示，其它操作方法同实施例1。

Claims (2)

1.一种将高斯光束整形为平顶光束的装置，其特征在于：该装置由四部分组成，依次为可变倍扩束镜组、非球面镜组、倒置定倍扩束镜组、正置定倍扩束镜组；

所述的可变倍扩束镜组由三片透镜组成，依次为平凸镜I(1)、平凹镜(2)、平凸镜II(3)；

所述的非球面镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，开普勒型非球面镜由2片非球面面形不同的平凸非球面镜组成，伽利略型非球面镜由1片平凹非球面镜与1片平凸非球面镜组成；

所述的倒置定倍扩束镜组和正置定倍扩束镜组为开普勒型扩束镜，或伽利略型扩束镜，两者类型任意搭配。

2.权利要求1所述的一种将高斯光束整形为平顶光束的装置的整形方法，其特征在于：所述的可变倍扩束镜组中，固定平凹镜(2)，平凸镜I(1)与平凹镜(2)的距离d₁₂、平凸镜I(1)与平凹镜(2)的距离d₂₃，平凸镜I(1)、平凸镜II(3)移动量分别为：

$\mathrm{\Δ}{d}_{12}=-\frac{{f_2}^2}{{\mathrm{Mf}}_1}+d_{12}-f_1-f_2---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{d}_{23}=\frac{1-(d_{12}-\mathrm{\Δ}{d}_{12})f_2}{f_1+f_2-(d_{12}-{\mathrm{\Δd}}_{23})}+(f_3-d_{23})---\left(2\right)$

Δd₁₂表示平凸镜I(1)的移动距离，Δd₂₃表示平凸镜II(3)的移动距离，移动量Δd₁₂为正值时表示靠近平凹镜(2)，负值时表示远离平凹镜(2)，Δd₂₃为正值时表示远离平凹镜(2)，负值时表示靠近平凹镜(2)；

f₁为平凸镜I(1)的焦距，f₂为平凹镜(2)的焦距，f₃为平凸镜II(3)的焦距；

M为选择扩束倍率；

倒置定倍扩束镜组与正置定倍扩束镜组之间的距离d_AB可调。

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