CN102540473B - 实现高斯光束整形半径随机锯齿光阑平均半径的确定方法 - Google Patents
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Abstract
实现高斯光束整形半径随机锯齿光阑平均半径的确定方法属于激光领域。首先确定光阑半径r，即r＝a×(1+a1*rand(θ))，其中a为平均半径，取0.001～0.003m，a1为调制深度，为0.05，然后制作出不同平均半径的光阑进行实验并计算特征参数：填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定最优的平均半径，得到a的大小范围为入射高斯光束束宽的60％。本方法通过使用半径随角度随机变化的锯齿光阑，并配合空间滤波器，相比于传统的调幅波纹锯齿光阑，提高了径向的光强填充因子和减弱调制强度。本发明可广泛用于激光器的光束整形和光强均匀化中，能够保证其具有较高的填充因子明显提高激光器储能物质的利用率、稳定性和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用半径随机变化的锯齿光阑，并结合空间滤波器，对高斯光束实现整形和匀化，确定半径随机锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的最优比，来得到填充因子、调制强度和光强对比度都优于调幅型波纹锯齿光阑的光强分布，并在一定的程度上抑制了轴上光强的衍射调制，属于高功率激光器制造领域。
背景技术
在实际应用的激光器的光束光强分布中，很多情况下都是高斯或近高斯分布，很少有理想的平面波。而高斯分布的光强随着半径的增大会逐渐减弱，在后续放大中小于一定数值的能量不能有效放大，即降低了填充因子，不能充分利用后续放大工作物质的储能。一般加入光阑来截掉光强小于一定数值的光，但由于圆孔边缘的索末菲尔德波包在轴上各点都具有相同的位相，它们会同时干涉相长或相消，致使轴上光强存在强烈的衍射调制，即使不考虑小尺度自聚焦效应对其的增强作用，它本身就会带来高功率激光器的损伤问题。因此高功率激光器的设计中，涉及到这样一个基本问题：在抑制光束菲涅耳衍射调制及由此而产生的小尺度自聚焦的前提下，如何保证增益介质储能的充分利用，即高的填充因子。为此，可以通过圆孔光阑边缘的波纹调制来错乱索末菲尔德波包的位相，从而减弱由此而产生的衍射调制，这就是波纹锯齿光阑。它较为适用于高功率激光系统，其特点是抗损伤阈值高，因其是孔状，它的插入或取出，不影响光路的调整，便于工程实用。
目前，对高斯光束的整形和匀化可以经过调幅型波纹锯齿光阑实现的。本发明内容是在调幅型波纹锯齿光阑的基础上利用一种半径随角度的变化而随机变化的光阑，确定光阑平均半径与束宽比的最优值，实现对高斯光束的整形和匀化，以得到填充因子、调制强度和光强对比度都比调幅型波纹锯齿光阑好的光强分布，同时能量的损失和调幅型波纹锯齿光阑基本一样，从而得到更理想的光束用于后续放大。
发明内容
本发明的目的在于克服高斯光束填充因子低，通过确定半径随机锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的最优比，使整形后光束的填充因子、调制强度和光强对比度特征参数都要优于调幅型波纹锯齿光阑，能量损失和调幅型波纹锯齿光阑近似的，实现对高斯光束整形和匀化的装置及方法。
实现高斯光束整形半径随机锯齿光阑平均半径的确定方法，其特征在于：首先确定光阑半径r，即r＝a×(1+a1*rand(0))，其中a为平均半径，取0.001～0.003m，a1为调制深度，为0.05，然后制作出不同平均半径的光阑进行实验并计算特征参数：填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定最优的平均半径，得到a的大小范围为入射高斯光束束宽的60％。
具体的：利用matlab软件，生成半径随角度的变化关系为r＝a*(1+a1*rand(θ))的半径随机锯齿光阑参数，其中a为平均半径，实验中取到了0.001到0.003米的范围，a1为调制深度，设定为0.05，rand(θ)为随角度变化而随机变化的函数，其值在-1到1之间。将参数导入CAD里，用激光切割的方法，切割出对应的光阑。由于此时光阑能截取较强的一部分光，提高了填充因子。又由于边缘的不规则性，能错乱索末菲尔德波包在轴上相位，减弱在轴上和径向调制强度，实现了对高斯光束的整形和匀化。通过比较相同的高斯光束，经过不同平均半径的半径随机锯齿光阑后光强的分布的特征参数(填充因子、调制强度、光强对比度)，确定了半径随机锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的最优比例，即半径随机锯齿光阑的平均半径为高斯光束束宽的0.6的时候，填充因子最大，为0.5284，调制强度和光强对比度最低，分别为0.3757和0.2872，同时能量损失为25％在可以接受的范围。相对于调幅型波纹锯齿光阑的填充因子0.4647，调制强度0.4670，光强对比度0.3092，都要优于调幅型波纹锯齿光阑。
本发明确定了对高斯光束实现整形的半径随机锯齿光阑的平均半径与束宽的比，实现了高斯光束的整形和匀化，得到特征参数优于调幅型波纹锯齿光阑的光束，本方法和装置的优点：
增大了光束的填充率；
降低了调制强度；
降低了光强对比度；
将高斯光束整形成了近平顶光束分布；
保留了合理的能量；
操作更为简单，易于实现工程应用。
本发明具有实质性的特点，本发明所述的方法可以广泛应用于高斯光束整形和匀化中，能够明显提高激光器后续放大增益介质储能的利用率、稳定性和输出功率。
附图说明
图1是入射光强的分布示意图；
图2是平均半径与束腰比例为0.65的调幅型波纹锯齿光阑；
图3是平均半径与束腰比例为0.6的角度间隔为0.01的半径随机的锯齿光阑；
图4是高斯光束通过平均半径与束腰比例为0.65调幅型波纹锯齿光阑后的径向光强分布；
图5是高斯光束通过平均半径与束腰比例为0.6的角度间隔为0.01的半径随机的锯齿光阑后的径向光强分布；
图6(a)是通过相同平均半径调幅型波纹锯齿光阑和半径随机锯齿光阑后光强分布的填充因子的比较；
图6(b)是通过相同平均半径调幅型波纹锯齿光阑和半径随机锯齿光阑后光强分布的调制强度的比较；
图6(c)是通过相同平均半径调幅型波纹锯齿光阑和半径随机锯齿光阑后光强分布的光强对比度的比较；
图6(d)是通过相同平均半径调幅型波纹锯齿光阑和半径随机锯齿光阑后光强分布的能量的比较。
具体实施方式
本发明是在不锈钢薄板上用激光切割的方法，切割出如图3所示形状的光阑，将它加入到高斯光束的激光光路中，测输出光轴上和径向上的光强分布。然后用不同的平均半径的半径随机锯齿光阑重复上述操作，分别比较它们的特征参数，从中找出最优的平均半径，也就确定了在高斯光束整形和均匀过程中所要用的半径随机锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的比。工作原理如下：光强分布成高斯分布的激光光束有着较低的填充因子，可以通过光阑截取一定范围的能量来提高填充因子，但用圆光阑时，由于菲涅尔衍射，临近边缘处的面积在轴上的点具有相同的位相，因此产生相长干涉，因此在轴上会有光强很强的点，这样很容易损坏后续放大的激光工作物质，调幅型波纹锯齿光阑就是要打乱这种一致性，减少轴上的光强调制，同时也能减少径向的调制。虽然调幅型波纹锯齿光阑已经有很好的整形和匀化效果，但它还是有一定的周期性，而半径随机的锯齿光阑相对于调幅型波纹锯齿光阑更能打乱这种一致性。
通过对不同平均半径的半径随机锯齿光阑的模拟和实验，比较不同平均半径的半径随机锯齿光阑，高斯光束通过之后的光强分布的特征参数，见下表1可以知道在平均半径为0.0012时填充因子为0.4604最大，调制强度和光强对比度最低，分别为0.4738和0.3065。所以可以确定半径随机锯齿光阑的平均半径与束宽的比在百分之六十左右最为合适，而此时的能量大概剩余75％左右，也是在实际应用中可以接受的。
在径向上的光强分布中我们可以从图5和图4的比较可以看出半径随机的光阑要比调幅型波纹锯齿光阑有更均匀的光强分布。
在图6中我们在相同的平均半径下，即横坐标相同，对半径随机的锯齿光阑要和调幅型波纹锯齿光阑填充因子、调制强度、光强对比度和能量做了比较，(a)中实线星号(SFF)代表随机光阑的填充因子，虚线方框(BFF)代表调幅型波纹锯齿光阑的填充因子，(b)中实线星号(SFR)代表随机光阑的调制强度，虚线方框(BFR)代表调幅型波纹锯齿光阑的调制强度，(c)中实线星号(SCC)代表随机光阑的光强对比度，虚线方框(BCC)代表调幅型波纹锯齿光阑的光强对比度，(d)中实线星号(SEN)代表随机光阑的能量比，虚线方框(BEN)代表调幅型波纹锯齿光阑的能量，从图6中可以看出在平均半径0.0012处，即与高斯束宽的比为0.6处，半径随机锯齿光阑要比调幅型波纹锯齿光阑填充因子高，半径随机光阑的填充因子为0.5284，而调幅型波纹锯齿光阑的填充因子为0.4604；半径随机锯齿光阑要比调幅型波纹锯齿光阑调制强度低，半径随机光阑的调制强度为0.3757，而调幅型波纹锯齿光阑的调制强度为0.4738；半径随机锯齿光阑要比调幅型波纹锯齿光阑光强对比度低，半径随机光阑的光强对比度为0.2872，而调幅型波纹锯齿光阑的光强对比度为0.3065；半径随机锯齿光阑要比调幅型波纹锯齿光阑能量相差不多，半径随机光阑的能量为0.7521，而调幅型波纹锯齿光阑的能量为0.7670；综上可以看出在合适的比例下半径随机的锯齿光阑在高斯光束整形和匀化上要比调幅型锯齿光阑的效果好。
表1是高斯光束经过不同平均半径的半径随机锯齿光阑后光强分布的特征参数
Claims (1)
1.实现高斯光束整形半径随机锯齿光阑平均半径的确定方法，其特征在于：首先确定光阑半径r，即r=a×(1+a1*rand（θ））,其中a为平均半径，取0.001～0.003m,a1为调制深度，为0.05，rand（θ）为随角度的变化而随机变化的-1到1之间的数；然后制作出不同平均半径的光阑进行实验并计算特征参数：填充因子、调制强度和光强对比度，最后根据特征参数确定最优的平均半径，得到a的大小范围为入射高斯光束束宽的60%。
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