CN104678550A - 一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置及方法，属于激光放大器领域，包括凸透镜一、凸透镜二和变形镜，所述凸透镜一、凸透镜二、变形镜沿着激光前进的方向依次排列，所述凸透镜一的焦距f1小于凸透镜二的焦距f2，所述凸透镜一与凸透镜二的主光轴和焦点均重合，通过该装置可以将激光光斑尺寸在入射到变形镜之前扩大f2/f1倍，利用了更多的变形镜单元补偿波前畸变，提高补偿分辨率，同时也降低变形镜的加工难度和造价。

Description

一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置及方法

技术领域

本发明涉及激光放大器领域，具体而言涉及一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置及方法。

背景技术

激光自从被发明以来，已经在科学和工业各个领域得到广泛应用。激光区别于普通光源最大的特点就是亮度高。然而，环境的扰动和激光介质的加工误差以及泵浦光的不均匀分布等因素均会引起激光波前畸变。波前畸变会使激光器的亮度降低，影响激光器的应用效果。为了提高亮度，科技人员发明了光学自适应补偿的方法，通过采用自适应变形镜来补偿激光的波前畸变。然而自适应补偿方法的变形镜单元面积较大，普通变形镜的单元尺寸在5mm以上，对于小口径的激光光斑，补偿的分辨率非常有限。虽然国际上目前也在研发缩小变形镜单元尺寸的方法，但是目前的技术成熟度较低，造价高昂。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置及方法，采用该装置和方法处理的小口径激光在变形镜前得到扩束，光斑可以扩大至整个变形镜，大大提高了变形镜的自适应补偿分辨率，降低了变形镜的加工难度和造价。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，包括凸透镜一、凸透镜二和变形镜，所述凸透镜一、凸透镜二、变形镜沿着激光前进的方向依次排列，所述凸透镜一的焦距f1小于凸透镜二的焦距f2，所述凸透镜一与凸透镜二的主光轴和焦点均重合。

进一步，所述变形镜的中心位于凸透镜二的主光轴上。

进一步，所述凸透镜二的直径大于变形镜的对角线长。

进一步，所述凸透镜一和凸透镜二表面均镀有对入射激光高透过率的膜。

另，本发明还提供一种采用提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置的激光扩束方法，包括如下步骤：

(1)激光以平行光由凸透镜一的一侧入射，激光光斑中心位于凸透镜一的主光轴上，在凸透镜一的另一侧焦点处会聚为一点；

(2)步骤(1)中会聚的激光经过焦点后发散传输，并且由凸透镜二的一侧入射，凸透镜二的直径大于激光光斑的对角线长，在凸透镜二另一侧以平行光出射，得到光斑扩大了f2/f1倍的激光；

(3)将步骤(2)得到的激光入射到变形镜上，激光光斑的边长小于或等于变形镜的边长，经过变形镜的矫正后出射。

本发明的有益效果如下：

1、通过2片凸透镜可以将激光光斑有效放大f2/f1倍，通过不同焦距的凸透镜配合使用，可以改变激光的放大倍数；

2、扩束倍率不是定值，可以根据激光光斑和自适应变形镜的大小进行更改；

3、激光扩束后再投射到变形镜上，利用了更多的变形镜单元补偿波前畸变，提高补偿分辨率，降低变形镜的加工难度和造价。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明激光光斑与变形镜关系图；

图3为扩束前激光光斑与变形镜关系图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，包括凸透镜一1、凸透镜二2和变形镜3，所述凸透镜一1、凸透镜二2、变形镜3沿着激光前进的方向依次排列，所述凸透镜一1的焦距f1小于凸透镜二2的焦距f2，所述凸透镜一1与凸透镜二2的主光轴5和焦点4均重合。所述变形镜3的中心位于凸透镜一1和凸透镜二2的主光轴5上。所述凸透镜二2的直径大于变形镜3的对角线长，变形镜3在垂直与纸面方向的投影应为内接于或者在凸透镜二2的投影内部，这样可以确保入射激光被充分扩束并且全部投射到变形镜3上。所述凸透镜一1和凸透镜二2表面均镀有对入射激光高透过率的膜。

一种采用上述提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置的激光扩束方法，包括如下步骤：

(1)激光以平行光由凸透镜一1的一侧入射，激光光斑中心位于凸透镜一1的主光轴5上，在凸透镜一1的另一侧焦点处会聚为一点4，这一点也是凸透镜二2的焦点；

(2)步骤(1)中会聚的激光经过焦点4后发散传输，并且由凸透镜二2的一侧入射，凸透镜二2的直径大于激光光斑的对角线长，在凸透镜二2另一侧以平行光出射，得到光斑扩大了f2/f1倍的激光，激光光束最大为内接于凸透镜二2；

(3)将步骤(2)得到的激光入射到变形镜3上，经过变形镜3的矫正后出射，激光光斑的边长小于或等于变形镜的边长，最优为等于，可以改变f1和f2来改变扩束倍率，使扩束后光斑边长等于变形镜边长，可以最大限度的利用变形镜，利用更多的变形镜单元补偿波前畸变，提高补偿分辨率，同时也降低变形镜的加工难度和造价。

实施例二：

如图2所示，选取入射激光束尺寸为1.6cm×1.6cm，变形镜3尺寸为8cm×8cm，凸透镜一1的焦距为3cm，凸透镜二2的焦距为15cm，扩束倍数为5倍，凸透镜二2的直径为14cm，将上述凸透镜和变形镜按照实施例一组装为本发明的扩束装置，并用实施例一所述的方法进行扩束，图中的黑框无色小格子表示变形镜的单元，灰色半透明方框为激光光斑，自适应变形镜的补偿分辨率提高为8×8，测试得到波前畸变梯度为0.2λ/cm(λ为激光波长)。

实施例三：

选取入射激光束尺寸为1.6cm×1.6cm，变形镜3尺寸为13cm×13cm，凸透镜一1的焦距为2cm，凸透镜二2的焦距为16cm，扩束倍数为8倍，凸透镜二2的直径为20cm，将上述凸透镜和变形镜按照实施例一组装为本发明的扩束装置，并用实施例一所述的方法进行扩束，自适应变形镜的补偿分辨率提高为13×13，测试得到波前畸变梯度为0.125λ/cm(λ为激光波长)。

实施例四：

选取入射激光束尺寸为1.6cm×1.6cm，变形镜3尺寸为16cm×16cm，凸透镜一1的焦距为2cm，凸透镜二2的焦距为20cm，扩束倍数为10倍，凸透镜二2的直径为25cm，将上述凸透镜和变形镜按照实施例一组装为本发明的扩束装置，并用实施例一所述的方法进行扩束，自适应变形镜的补偿分辨率提高为16×16，测试得到波前畸变梯度为0.1λ/cm(λ为激光波长)。

对比实验一：

选用入射激光尺寸为1.6cm×1.6cm的激光束直接入射到变形镜3上，如图3所示，此时激光光斑只能覆盖到2×2个格子，补偿分辨率为2×2，对波前畸变梯度进行测试，得到波前畸变梯度为1λ/cm(λ为激光波长)。

现为了将实施例与对比实验结果进行对比，对本发明实施例二、三、四和对比实验的结果列于如下表1中：

表1 对比实验和实施例二、三、四的结果对比

	对比实验	实施例二	实施例三	实施例四
					扩束前激光尺寸/cm	1.6×1.6	1.6×1.6	1.6×1.6	1.6×1.6
扩束倍数	1	5	8	10
					扩束后激光尺寸/cm	1.6×1.6	8×8	12.8×12.8	16×16
变形镜尺寸/cm	8×8	8×8	13×13	16×16
					补偿分辨率	2×2	8×8	13×13	16×16
波前畸变梯度/λ/cm	1	0.2	0.125	0.1

上述实验数据由中物院激光聚变研究中心新概念激光技术实验室提供。

通过表1将对比实验一与实施例二、三、四进行对比，可以根据变形镜的尺寸选择激光放大倍数，激光经过扩束后，自适应变形镜的补偿分辨率明显提高，波前畸变梯度大大降低；将实施例二、三、四对比，可以发现本发明可以根据变形镜的大小选取凸透镜的焦距比f2/f1，构思巧妙，灵活可调。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，包括凸透镜一、凸透镜二和变形镜，其特征在于，所述凸透镜一、凸透镜二、变形镜沿着激光前进的方向依次排列，所述凸透镜一的焦距f1小于凸透镜二的焦距f2，所述凸透镜一与凸透镜二的主光轴和焦点均重合。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，其特征在于，所述变形镜的中心位于凸透镜二的主光轴上。

3.根据权利要求1所述的一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，其特征在于，所述凸透镜二的直径大于变形镜的对角线长。

4.根据权利要求1所述的一种提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置，其特征在于，所述凸透镜一和凸透镜二表面均镀有对入射激光高透过率的膜。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的提高激光自适应补偿分辨率的扩束装置的激光扩束方法，其特征在于，所述扩束方法包括如下步骤：

(1)激光以平行光由凸透镜一的一侧入射，激光光斑中心位于凸透镜一的主光轴上，在凸透镜一的另一侧焦点处会聚为一点；

(2)步骤(1)中会聚的激光经过焦点后发散传输，并且由凸透镜二的一侧入射，凸透镜二的直径大于激光光斑的对角线长，在凸透镜二另一侧以平行光出射，得到光斑扩大了f2/f1倍的激光；

(3)将步骤(2)得到的激光入射到变形镜上，激光光斑的边长小于或等于变形镜的边长，经过变形镜的矫正后出射。