CN103064190A - 一种片状光束匀滑整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片状光束匀滑整形装置，包括沿光路依次设置的光纤耦合透镜、光纤束、球面透镜和柱面透镜，输入面光源经光纤耦合透镜聚焦后入射至光纤束，经光纤束传输后依次入射至球面透镜和柱面透镜；所述光纤束入射端面的光纤排布截面与输入面光源相匹配，光纤束的出射端面排布为线状，且柱面透镜的柱面中心线与整形光纤束出射端面的光纤排布线相平行。本发明通过特殊结构排布的光纤束并结合柱面透镜整形，实现了面光源向片状光束的整形和匀滑，使得光束传播方向的一段区域内均可产生均匀的片状光束，满足了实验中对光束形状和光强均匀性的要求。

Description

一种片状光束匀滑整形装置

技术领域

本发明属于光束整形技术领域，特别是一种将面光源整形为分布均匀的片状光束的装置。

背景技术

在激光加工、激光应用和激光通信等科学研究过程中，常常需要对光束进行匀滑整形，即将光束整形为光强分布均匀且形状满足特殊要求的光束。比如在利用激光诊断技术定量测量燃烧流场分布参数中，常需要将圆形的激光光束整形为光强分布均匀的片状光束。

现有光束匀滑整形方案通常采用衍射光学元件、二元光学元件、复杂棱镜或透镜系统等，这些系统可以获得较好的匀滑整形效果，但是结构复杂，价格较贵，且一般是在光束的特定横截面上实现光束匀滑，而不是获得均匀的线状光束。专利“一种线状光束整形光学系统”（中国专利，申请号：200910273392.8）中，设计了一种线状光束整形系统，只在光束的截面上形成均匀的线光束，而沿光束传播方向不能满足光强均匀分布的要求；文献“线激光束均匀化整形方法研究”（应用光学，2009,30（3）：523-526），给出了一种利用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法，实现了光束匀滑，但这种方法只在入射光为高斯光束时使用，难以满足普通非高斯光束的应用，而且会存在干涉的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种片状光束匀滑整形装置，对普通的面光源匀滑整形，使其成为光强均匀分布的片状光束，满足燃烧流场测试中特殊场合的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种片状光束匀滑整形装置，包括沿光路依次设置的光纤耦合透镜，光纤束、球面透镜和柱面透镜，输入面光源经光纤耦合透镜聚焦后入射至光纤束，经光纤束传输后依次入射至球面透镜和柱面透镜；光纤束入射端面的光纤排布截面与输入面光源相匹配，光纤束的出射端面排布为线状，且柱面透镜的柱面中心线与整形光纤束出射端面的光纤排布线相平行。

上述片状光束匀滑整形装置中，光纤束入射端面的光纤排布截面形状为正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。

上述片状光束匀滑整形装置中，球面透镜有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于光纤束的光纤输出光束发散角。

上述片状光束匀滑整形装置中，光纤束的光纤为石英光纤或红外光纤。

上述片状光束匀滑整形装置中，光纤束的光纤为多模光纤。

上述片状光束匀滑整形装置中，光束面光源为激光束。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明通过特殊结构排布的光纤束并结合柱面透镜整形，实现了面光源向片状光束的整形和匀滑，使得光束传播方向的一段区域内均可产生均匀的片状光束，满足了实验中对光束形状和光强均匀性的要求。

2、本发明在整形装置中引入光纤束，利用光纤束的可弯曲特性，方便了实验中光学系统的合理布局。

3、本发明的匀滑整形装置能够消除光场相干的影响，匀滑后的光束不存在干涉、衍射条纹，满足了光强均匀性要求。

4、本发明的匀滑整形装置对输入光束的特性和参数要求较低，适用于多种形式的面光源。

5、本发明的匀滑整形装置可使得光束传播方向的一段区域内均可产生均匀的片状光束。

附图说明

图1为本发明片状光束匀滑整形装置主视图；

图2为本发明片状光束匀滑整形装置俯视图；

图3为本发明光纤束入射端面的光纤排布示意图；

图4为本发明光纤束出射端面的光纤排布示意图；

图5为本发明匀滑整形效果照片；

其中：1-光纤耦合透镜，2-光纤束，3-球面透镜，4-柱面透镜，5-面光源，6-片状光束。

具体实施方式

如图1和图2所示，匀滑整形装置包括光纤耦合透镜1，光纤束2，球面透镜3和柱面透镜4，面光源5经光纤耦合透镜1聚焦后入射至光纤束2，经光纤束2传输后依次入射至球面透镜3和柱面透镜4，进行整形。这种匀滑整形装置能够消除光场相干的影响，匀滑后的光束不存在干涉、衍射条纹，此外匀滑整形装置可使得光束传播方向的一段区域内均可产生均匀的片状光束6，应用中可根据光束的尺度进行选择。

如图3和图4所示，光纤束2入射端面的光纤排布截面与被整形面光源相匹配，可以是正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。光纤束2的两端安装有光纤接头，光纤排布截面的形状依靠光纤接头上孔的形状和光纤排布位置而定。光束匀滑由单根光纤匀滑和光纤束匀滑共同完成，就单根多模光纤而言，激光在光纤内传输时，不同角度入射的激光会经过不同次数的反射，传输到输出口叠加混合后获得均匀光束。光纤束2由多根光纤组成，能够将原始的面光束分割成多个点光源，经过光纤传输后，每根光纤的出射光束在空间上相互重合，进一步实现光束匀滑。光纤束2的出射端面排布为线状，且柱面透镜4的柱面中心线与光纤束2出射端面的排布线相平行。其中柱面中心线是特指柱面透镜4的圆柱面被横截为若干个圆或半圆时，若干个圆或半圆曲率中心的连线。由于柱面透镜4只对柱面中心线方向的光束进行缩束（见图2），而对柱面中心线垂直方向的光束无影响（见图1），这样在出射光轴方向上就形成一个均匀片状光束6，且片状光束6所在的平面与整形光纤束2出射端面的光纤排布线相平行。

作为一种优选方式，球面透镜通光口径对透镜焦点的张角与光纤的发散角相等，这样光纤束接收的入射光为聚焦后的光斑，匀滑的效果会更好。

下面给出具体实施例：以氦氖激光器为光源，利用所设计的片状光束匀滑整形装置对氦氖激光束进行了匀滑整形，并对其匀滑效果采用光束质量分析仪（LBA）进行了测量分析，结果如图5所示。装置中所用光纤束2由37根芯径为200微米的石英光纤组成，输入端成正六边形排布，输出端成线性排布，光纤的数值孔径为0.22；所用球面透镜3为石英透镜，直径50毫米，焦距100毫米，透镜的有效通光口径对位于透镜焦点处的光纤输出端形成的张角略大于光纤输出光束的发散角；所用柱面透镜4为石英透镜，长50毫米，宽40毫米，焦距500毫米。氦氖激光器6发出的激光经耦合透镜1后输入到光纤束2中，经光纤束2输出的光束，由球面透镜3进行准直，再由柱面透镜4压缩形成所需的片状激光，光束质量分析仪用于接收、分析匀滑后的片状光束6，并对匀滑效果进行评价。由图5可以看出，利用该装置可以获得较好的匀滑效果。本发明已经成功用于燃烧流场测量实验中。

Claims (6)

1.一种片状光束匀滑整形装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的光纤耦合透镜（1）、光纤束（2）、球面透镜（3）和柱面透镜（4），待整形的面光源（5）经光纤耦合透镜（1）聚焦后入射至光纤束（2），经光纤束（2）传输后依次入射至球面透镜（3）和柱面透镜（4）；所述光纤束（2）入射端面的光纤排布截面与面光源（5）相匹配，光纤束（2）的出射端面排布为线状，且柱面透镜（4）的柱面中心线与整形光纤束（2）出射端面的光纤排布线相平行。

2.根据权利要求1所述的片状光束匀滑整形装置，其特征在于：所述光纤束（2）入射端面的光纤排布截面形状为正六边形、矩形、正方形、圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1或2所述的片状光束匀滑整形装置，其特征在于：所述球面透镜（3）有效通光口径与透镜焦点形成的张角大于或等于光纤束（2）的光纤输出光束发散角。

4.根据权利要求3所述的片状光束匀滑整形装置，其特征在于：所述光纤束（2）的光纤为石英光纤或红外光纤。

5.根据权利要求4所述的片状光束匀滑整形装置，其特征在于：所述光纤束（2）的光纤为多模光纤。

6.根据权利要求1所述的片状光束匀滑整形装置，其特征在于：所述面光源（5）为激光束。

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