CN102621694A - 一种条形像散光束整形与准直装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种条形像散光束整形与准直装置，该装置包括第一扩束柱面镜、第二扩束柱面镜和补偿球面镜，所述扩束柱面镜能对输入的条形光束单向扩束、平衡条形光束水平方向和垂直方向的发散角，补偿球面镜将发散光束准直，用于条形像散光束准直和整形生成准直的方形光束。本发明能够同时完成光束整形与像散补偿两个功能，具有结构简单、成本低、调节容易的优点。

Description

一种条形像散光束整形与准直装置

技术领域

本发明涉及一种光束整形和像散补偿装置，特别是对条形光束的整形和像散补偿装置。

背景技术

主振荡功率放大(MOPA)结构板条激光器是获得高光束质量激光输出的重要途径之一，在科研、工业和国防等领域有重要的应用。但是MOPA结构板条激光器输出的光束是长条形的，不能充分利用传统轴对称光学系统的通光口径；经过聚焦系统聚焦后，垂直方向和水平方向的光束焦点位置不一致，并且不在聚焦系统的焦平面上，这给MOPA结构板条激光器的应用带来很大困难。

为了有效利用条形像散光束，必须对光束进行整形和像散补偿。柱面透镜、反射镜或棱镜的组合能对光束进行单向扩束。离轴反射式扩束系统中光束被一组抛物镜面反射后扩束，光能量吸收损耗少，扩束系统热变形小，但是离轴抛物面加工困难、装置调节复杂，离轴反射式扩束系统没有得到广泛应用。柱面开普勒式或伽利略式望远扩束系统可以将长条形光束扩束为方形光束，但是在这种装置中，光学元件均为柱面镜，只能在一个方向上对光束进行扩束和准直。美国专利“串联光学单向扩束器”(US Patent 4580879)中介绍的棱镜组扩束系统具有易于调节、没有偏心误差的优点，但是系统中没有改变光焦度的元件，不能对光束的像散进行补偿。

光束经过透镜聚焦后子午面和弧矢面的聚焦位置不同，说明光束有像散像差。从几何光学角度看，像散光束子午面和弧矢面光束发散角不同，像散光束在传播过程中光强分布会发生变化。对像散光束校正的基本方法是平衡光束两个方向上的发散角。例如美国专利“光束整形望远镜”(US2009/0257118A1)用两个球面反射镜补偿光束的像散，球面镜曲率和入射球面镜的角度决定了像散补偿量，需要改变像散补偿量时，需要改变入射角度或更换球面镜，并且调节两个反射镜的相对位置，调节难度大。美国专利“可变像散光束扩束器”(US2008/0297912)，利用两个紧贴柱面镜和一个球面镜实现圆形光束像散的补偿和准直，该装置中两个柱面镜紧贴，柱面镜与球面镜的距离可调。

但是以上方法和装置只能满足整形或像散补偿中的一个要求，虽然以上两种方法或装置的组合能够对条形光束整形和补偿像散，可是要引入多个元件，成本和调节复杂度难以降低。因此，人们希望有一种改进的装置，能够对条形像散光束进行整形和像散补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服现有装置和方法无法同时对条形像散光束整形和补偿像散的缺陷，提供一种改进的整形和像散补偿装置，能够实现条形像散光束的整形和像散补偿。

本发明一种条形像散光束整形与准直装置，采用的技术方案是：包括第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和补偿球面镜，其中：第二柱面扩束镜位于第一柱面扩束镜和补偿球面镜之间，第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和球面补偿镜的各中心点在同一轴线上，且该轴线与输入的条形光束的光轴重合；第一柱面扩束镜，接收条形光束，用于将条形光束生成单向扩束光束；第二柱面扩束镜，用于将单向扩束光束变换为水平方向和垂直方向发散角相同的发散光束；补偿球面镜，将发散光束准直，用于生成并输出准直的方形光束。

优选实施例，所述的第一柱面扩束镜和第二柱面扩束镜能沿光轴旋转和平移。

优选实施例，所述的第一柱面扩束镜是具有负的光焦度的负透镜，所述负透镜的前表面或后表面中至少有一个是凹柱面。

优选实施例，所述的第二柱面扩束镜是具有正的光焦度的正透镜，所述正透镜的前表面或后表面中至少有一个凸柱面。

优选实施例，所述第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和补偿球面镜各前镜面、后镜面镀制有针对条形像散光束的增透膜系。

优选实施例，所述补偿球面镜是平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜或凸凹透镜。

本发明优点在于：本发明提供的条形像散光束整形与准直装置克服了以往发明和技术不能同时对条形光束进行单向扩束和像散补偿的缺点，该装置只有三个透镜组成，使用的光学元件数目较少、结构简单、使用方便；条形像散光束经过该装置整形后，以方形准直光束输出。

附图说明

图1本发明条形像散光束扩束与准直装置；

图2本发明条形像散光束扩束与准直装置及聚焦透镜；

图3本发明条形像散光束近场光强分布图；

图4本发明条形像散光束聚焦特性；

图5本发明准直后方形光束光强分布；

图6本发明准直后方形光束能够会聚到透镜焦平面上。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示的条形像散光束整形与准直装置，包括第一柱面扩束镜1、第二柱面扩束镜2和补偿球面镜3，第二柱面扩束镜2位于第一柱面扩束镜1和补偿球面镜3之间，第一柱面扩束镜1、第二柱面扩束镜2和球面补偿镜3的各中心点在Z轴上，且该轴线与输入的条形光束的光轴重合；第一柱面扩束镜1，接收条形光束，用于将条形光束生成单向扩束光束；第二柱面扩束镜2，用于将单向扩束光束变换为水平方向和垂直方向发散角相同的发散光束；补偿球面镜3，将发散光束准直，用于生成并输出准直的方形光束。如图2所示本发明条形像散光束扩束与准直装置及聚焦透镜，经过本发明整形和补偿象散后的光束进入聚焦透镜4，聚焦透镜4起到聚焦光束的作用，是用来检验条形像散光束经过本发明整形和补偿像散后聚焦特性的。

如图3所示条形像散光束在第一柱面扩束镜1前的近场光强分布图，条形像散光束沿Z轴传输，如果不经过本发明进行整形和补偿像散的话，经过聚焦透镜4聚焦后的聚焦特点，如图4条形像散光束聚焦特性所示，光束的子午像点和弧矢像点不重合，并且聚焦后的像点在聚焦透镜4的焦平面后。选取垂直于Z轴的XY平面作为参考面，光束在XOZ面上的半宽度ω_x、ω_y和光束发散半角为θ_x、θ_y，所以条形像散光束在第一象限坐标(ω_x，ω_y)处光线的传输参数矢量可以写成令经过本发明整形后输出光束的传输矢量为

经过本方面整形和准直后光束是在宽度相等的方形光束，所以整形和补偿像散后光束口径在XOZ面上的半宽度为

光束发散半角为

输出光束传输矢量

任意光线传输变化方程可以用一个4×4扩展矩阵表达(参见吕百达《激光光学：光束描述、传输变换与光腔技术物理》第三版，p33)，本发明对光线的传输变换矩阵描述为一个4×4矩阵，用

表示。本实例采用如图1所示本发明对条形像散光束进行扩束和与准直装置的结构，对条形像散光束整形和补偿像散的共有包括第一扩束柱面镜1、第二柱面扩束镜2和补偿球面镜3，条形光束到第一扩束柱面镜1的距离为L₁，第一扩束柱面镜1到补偿球面镜3的距离为L₂，补偿球面镜3到第二扩束柱面镜2的距离为L₃，所以本发明装置的光学系统扩展矩阵

为：

$\stackrel{\→}{M}={\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{fx}2}{\stackrel{\→}{M}}_{L3}{\stackrel{\→}{M}}_f{\stackrel{\→}{M}}_{L2}{\stackrel{\→}{M}}_{\mathrm{fx}1}{\stackrel{\→}{M}}_{L1}$

分别是第一柱面扩束镜1、第二柱面扩束镜2、自由空间距离L₁、L₂、L₃、补偿球面镜3所对应的变换矩阵。

经过本发明整形后输出光束传输矢量为

本发明装置光学系统的扩展矩阵

和输入条形像散光束坐标(ω_x，ω_y)处光线的传输矢量

用如下关系式描述。

本发明实施实例中两个柱面扩束系统组成类似伽利略型单向扩束系统，所以第一柱面扩束镜1的焦距f_x1、第二柱面扩束镜2的焦距f_x2有如下关系：

$\frac{f_{x2}}{f_{x1}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_S}{{\mathrm{\ω}}_T}$

ω_S、ω_T分别是输入本发明装置的条形像散光束宽度和本发明装置输出的条形像散光束宽度。

假设一条形像散光束在XOZ面上半宽度ω_x＝1毫米，YOZ面半宽度ω_y＝10毫米，光束发散半角分别是θ_x＝3°，θ_y＝1°。所以f_x2/f_x1＝-ω_s/ω_T＝-10，如果取第一个柱面扩束镜1的焦距为f_x1＝-60毫米，则第二个柱面扩束镜2的焦距为f_x2＝600毫米，补偿球面镜3的焦距为f，第一柱面扩束镜1距离XOZ面为L₁，第二柱面扩束镜2与第一柱面扩束镜1之间的距离L₂，第二柱面扩束镜2与补偿球面镜3距离为L₃，并以距离L₁、L₂、L₃为未知数代入关系式

求解得L₁＝-62.7毫米、L₂＝62.7毫米、L₃＝683.5毫米、f＝573.2毫米。条形像散光束经过本发明装置的整形和准直后方形光束光强分布，其输出光束光强分布为如图5所示的正方形，经过聚焦透镜4聚焦后，如图6所示准直后方形光束能够会聚到透镜焦平面上，焦点在聚焦透镜4的焦平面上；图5、图6中的X、Y和Z是笛卡尔坐标。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种条形像散光束整形与准直装置，其特征在于包括第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和补偿球面镜，其中：

第二柱面扩束镜位于第一柱面扩束镜和补偿球面镜之间，第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和球面补偿镜的各中心点在同一轴线上，且该轴线与输入的条形光束的光轴重合；

第一柱面扩束镜，接收条形光束，用于将条形光束生成单向扩束光束；

第二柱面扩束镜，用于将单向扩束光束变换为水平方向和垂直方向发散角相同的发散光束；

补偿球面镜，将发散光束准直，用于生成并输出准直的方形光束。

2.根据权利要求1所述的条形像散光束整形与准直装置，其特征在于，所述的第一柱面扩束镜和第二柱面扩束镜能沿光轴旋转和平移。

3.根据权利要求1所述的条形像散光束整形与准直装置，其特征在于，所述的第一柱面扩束镜是具有负的光焦度的负透镜，所述负透镜的前表面或后表面中至少有一个是凹柱面。

4.根据权利要求1所述的条形像散光束整形与准直装置，其特征在于，所述的第二柱面扩束镜是具有正的光焦度的正透镜，所述正透镜的前表面或后表面中至少有一个凸柱面。

5.根据权利要求1所述的条形像散光束整形与准直装置，其特征在于，所述第一柱面扩束镜、第二柱面扩束镜和补偿球面镜各前镜面、后镜面镀制有针对条形像散光束的增透膜系。

6.根据权利要求1所述的条形像散光束整形与准直装置，其特征在于，所述补偿球面镜是平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜或凸凹透镜。

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