CN104865706A - 一种提高相干合束激光光束质量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高相干合束激光光束质量的装置。该装置包括一组衍射型望远系统阵列、一个聚焦透镜和一个CCD。所述衍射望远系统阵列由一组目镜阵列和一组物镜阵列组成，单个目镜和单个物镜组成衍射望远系统单元，单元结构采用伽利略望远系统，其组成透镜采用多阶相位型菲涅尔衍射结构。具体地，所述衍射望远系统阵列将入射的较为分散的阵列光束扩束成相切光束，然后经聚焦透镜聚焦，在其焦面处实现远场相干合束，并由CCD探测合束激光的能量分布。本发明具有易于加工、方便装调等优点，同时，所述衍射望远系统阵列具有高扩展性，可以实现不同排布、更多路高填充因子的激光相干合束。

Description

一种提高相干合束激光光束质量的装置

技术领域

本发明涉及激光相干合束技术领域，尤其涉及一种利用衍射望远系统阵列增大阵列光束填充因子，从而提高相干合束激光光束质量的装置。

背景技术

大功率、高光束质量是激光技术研究中永恒追求的目标。激光相干合束技术可以分散激光工作物质中的焦耳热，避免功率过大时晶体介质中产生热效应和非线性效应，是实现大功率、高光束质量激光输出的有效途径。然而，在激光相干合束中，由于相干现象的存在，合束后的光斑由中央主瓣和大量旁瓣组成，能量分散，光束质量较差。对于这类复杂光斑，高光束质量就意味着高能量集中度，这种高能量集中度的激光束在许多领域都有重要的应用，比如在工业加工中可用于工业材料的焊接、穿孔、切割，激光核聚变中可用于反应堆的点火等。因此，提高合束激光的光束质量对于激光相干合束技术走向实际具有重要的意义。

目前提高光束质量的方法主要有：幅相转换法、自成像波导法、逆达曼光栅法、光束整形法等。其中幅相转换法是利用两块特殊的位相板来抑制旁瓣数量，由于位相板位于透镜的焦平面处，因此能够承受的聚焦功率密度非常有限，无法实现较大功率的相干合束；自成像波导法利用的是多模光纤的自成像效应，这种方法只适用光纤激光器，且受光纤热损伤、非线性效应的限制，也无法实现较大功率的相干合束；逆达曼光栅法是利用达曼光束的分光特性，逆向使用实现相干合束，但这种方法对各路子光束的位相具有特定的要求，且调整精度高，难以操作；光束整形法是利用特殊的透镜阵列对各路光束分别进行位相和振幅的整形，使得出射的各路光束均为平面波，从而获得高填充因子的阵列光束，这种方法难以设计和制作出同时具有位相和振幅整形功能的透镜组，同时还存在透镜拼接难题。

发明内容

针对这些方法存在的不足，本发明提供了一种提高相干合束激光光束质量的装置。

所述装置包括：用于对阵列光束进行扩束的衍射型目镜阵列1和衍射型物镜阵列2，用于实现阵列光束远场相干合束的聚焦透镜3，以及用于接收合束激光能量分布的CCD4。

如上所述的装置中，衍射型目镜阵列1和衍射型物镜阵列2组成衍射型望远系统阵列。所述衍射型望远系统阵列的整体结构采用伽利略望远系统结构，因此目镜阵列和物镜阵列的间距由两者的焦距决定。

进一步地，所述衍射型目镜阵列1和衍射型物镜阵列2的面型采用多阶相位型菲涅耳透镜设计。其相位台阶数根据实际应用需求取定，相位台阶数取8、16、32时，对应的衍射效率分别为81％、94.9％、98.7％，台阶数越大，衍射效率越高，对应的加工线宽就越小，加工难度越大。

本发明的作用机理如下：入射的阵列光束经所述衍射型目镜阵列1和所述衍射型物镜阵列2后，由所述聚焦透镜3在其后焦面处实现远场相干合束，并最终由所述CCD4探测合束激光的能量分布。由于激光器本身的结构、机械装配等因素的影响，入射阵列光束的填充因子远小于1，而经过所述衍射望远系统阵列扩束后，出射的阵列光束彼此相切，这样大大增加了阵列光束的填充因子，从而达到提高合束激光光束质量的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)结构简单。所述望远系统采用伽利略结构，既可以缩短系统总长，又可以避免实焦点造成的空气击穿和光学元件损伤。因此，可以应用在大功率的激光相干合束中。

(2)易于加工。所述衍射型目镜阵列1和衍射型物镜阵列2的面型均采用相位型菲涅耳透镜，其设计理论和加工工艺成熟。

(3)方便装调。进一步地，所述衍射型目镜阵列1和衍射型物镜阵列2是在两块玻璃基片上刻蚀加工的，可以获得高阵列填充比，解决了透镜拼接难题；同时，两块平板安装成望远系统阵列时，更加方便准确。

(4)扩展性强。所述衍射望远系统阵列是在基片上加工而成，因此阵列透镜的数量和排列方式灵活多变，可以实现更多路高填充因子的激光相干合束。

附图说明

图1是衍射望远系统阵列提高相干合束激光光束质量的装置示意图。

图2是衍射望远系统单元的结构图。

图3是衍射型目镜和衍射型物镜的面型结构图。

图4是呈正六边形排布的衍射型目镜阵列和衍射型物镜阵列图。

图5是8台阶衍射望远系统阵列扩束后相干合束的远场光斑分布。

图6是未加入衍射望远系统阵列时相干合束的远场光斑分布。

图7是分区域取定不同台阶数的衍射望远系统单元的结构图。

图8是分区域取定不同台阶数的衍射望远系统阵列扩束后相干合束的远场光斑分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示为衍射望远系统阵列提高相干合束激光光束质量的装置示意图。该装置包括：衍射型目镜阵列1、衍射型物镜阵列2、聚焦透镜3和CCD4。入射的阵列光束，经所述衍射望远系统阵列扩束后，由所述聚焦透镜3实现远场相干合束，并由所述CCD4探测合束激光的能力分布。

单个衍射型目镜和衍射型物镜组成衍射型望远系统单元，其结构如图2所示。给定其焦距f₁、f₂，即可确定两者的间距，满足：d＝f₁+f₂。

所述衍射型目镜和所述衍射型物镜采用相同的面型结构，即多阶位相型菲涅耳透镜结构，如图3所示。其结构参数主要包括：相位台阶数L、台阶深度h、台阶宽度Δd。

台阶数L可根据实际应用需求和加工水平取定。台阶数取8、16、32时，对应的衍射效率分别为81％、94.9％、98.7％，台阶数越大，衍射效率越高，对应的加工线宽就越小，加工难度越大。

台阶深度由设计波长λ、台阶数L和基板材料折射率n决定，且各台阶深度相同，如下式：

$h=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{nL}}.$

设第m个台阶距离透镜中心为r_m，r_m由下式决定：

$r_m=\sqrt{2\mathrm{m\λf}/L},$

式中，f为透镜的焦距。则台阶宽度为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{d}_m=r_{m+1}-r_m\\ =(\sqrt{m+1}-\sqrt{m})\·\sqrt{2\mathrm{\λf}/L}\end{array}.$

以呈正六边形排布的六路入射高斯光束为例进行具体说明。假设入射高斯光束的束腰半径为ω₀＝2.5mm，相邻两光束的间距为14mm。则衍射型望远系统阵列中的目镜阵列和物镜阵列如图4所示。

由于相干合束中相干现象的存在，合束光斑由中央主瓣和大量旁瓣组成，因此，选用环围功率比评价合束激光的光束质量。环围功率比由下式决定：

$\mathrm{BQ}={\left(\frac{P_0}{P_f}\right)}^{1/2},$

式中，P₀＝83.8％，为理想光束艾里斑内的功率与总功率之比；P_f为远场实际光斑环围内功率与总功率之比。

实施例1

单元目镜和物镜的口径分别为2R₁＝5mm、2R₂＝14mm，焦距分别为f₁＝-37.5mm、f₂＝105mm。聚焦透镜焦距为f＝1000mm。

取定目镜阵列和物镜阵列的位相台阶为L＝8。

图5为相干合束远场光斑分布。可以看出，合束光斑中旁瓣的数量较少，计算可得环围功率比为BQ＝1.489。

作为对比，图6给出了未加入衍射型望远系统阵列时，直接得到的相干合束远场光斑分布。对比图5可以看出，合束光斑中旁瓣的数量明显较多，计算可得其环围功率比为BQ＝3.0225。可见，采用8台阶衍射型望远系统阵列使得相干合束光束质量提高了2倍。

实施例2

采用和实施例1相同的结构参数，即单元目镜和物镜的口径分别为2R₁＝5mm、2R₂＝14mm，焦距分别为f₁＝-37.5mm、f₂＝105mm。聚焦透镜焦距为f＝1000mm。

而将相位台阶数分区域取不同值，即透镜中央5个环带内的台阶数取32，向外25个环带内台阶数取16，其它环带内台阶数取8，如图7所示。

图8给出了这种面型结构情况下，远场相干合束光斑分布，计算可得环围功率比为BQ＝1.2583。可以看出，旁瓣数量进一步减少，光束质量相对于未加入衍射望远系统阵列的情况提高了2.4倍，而相对于8台阶的结构，光束质量提高15％。

Claims (9)

1.一种提高相干合束激光光束质量的装置，包括目镜阵列(1)、物镜阵列(2)、聚焦透镜(3)和CCD(4)；其特征在于：所述目镜阵列(1)和物镜阵列(2)组成衍射型望远系统阵列，入射的准直激光束阵列经所述衍射型望远系统阵列后，被扩束成相切光束，所述聚焦透镜(3)将相切的阵列光束聚焦在其后焦面处，实现远场相干合束激光输出，并最终由所述CCD(4)探测合束激光的能量分布。

2.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述目镜阵列(1)中的每个目镜单元均为负透镜，焦距f₁满足：f₁<0；所述物镜阵列(2)中的每个物镜单元均为正透镜，焦距f₂满足：f₂>0。

3.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述目镜单元的口径2R₁由入射光束大小2ω₀决定，满足：2R₁＝2ω₀。

4.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述目镜单元和物镜单元组成望远系统单元结构，单元结构采用伽利略望远系统，间距满足：d＝f₁+f₂。

5.根据权利要求书4所述的装置，其特征在于，所述物镜单元的口径2R₂由目镜单元的口径2R₁及目镜单元和物镜单元焦距f₁、f₂共同决定，满足：

6.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述目镜单元和所述物镜单元的面型均采用多阶位相型菲涅耳透镜，且相位台阶数L取相同的值，且当L＝8、16、32时，对应的衍射效率分别为81％、94.9％、98.7％。

7.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述目镜阵列(1)的口径和所述物镜阵列(2)的口径由目镜单元和物镜单元的阵列数决定。

8.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述聚焦透镜(3)的口径由所述物镜阵列(2)的口径决定。

9.根据权利要求书1所述的装置，其特征在于，所述CCD(4)的响应波段包含入射光束波长，其位置处在所述聚焦透镜(3)的后焦面。