CN104914583A - 任意波长半高斯激光束发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意波长半高斯激光束发生器，属于激光光束整形技术领域。任意波长的半高斯激光束发生器由入射激光光源、准直系统、相干度衰减器、不透明片（刀片）等组成，其激光光束整形方法为首先将入射激光光源的光经过准直系统转变为平行光后入射到相干度衰减器上，然后用不透明片（刀片）将从相干度衰减器输出的光切掉一半，输出光束即为在空间稳定传输的半高斯激光束。本发明的优势在于，仅用一台相干度衰减器与不透明片（刀片）就可以实现在自由空间可以稳定传输的半高斯激光束的产生，对入射激光光源的波长无选择性，光束传输稳定，具有很广的适用范围，而且全固化且简单易操作。

Description

任意波长半高斯激光束发生器

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及激光光束整形技术，具体为任意波长半高斯激光束发生器，适用于激光物理、原子分子光学、生物物理、量子信息、光学测量与探测等需要非对称激光光束的领域。

背景技术

半高斯激光束是一种特殊的非对称激光束，它的横向空间光强分布在一个方向为半个高斯线型，在另外一个正交方向为高斯线型。自1960年激光问世以来，相关技术不断更新，激光被广泛的应用于人类的生产生活活动之中。常规基模输出的激光器以及相关技术和理论研究飞速发展，激光应用领域得到充分拓展，日趋完善。随着基础研究、工业生产的迅猛发展，人们对特殊强度分布的激光场的需求越来越多，其中包括对称分布的空心光束，平顶光束，贝塞尔光束，非对称分布的艾里光束，半高斯光束等。因为半高斯激光束在应用光学以及基础物理研究领域有广泛的应用。例如，利用半高斯激光束在非线性克尔介质中的自弯曲现象，可以用来探测介质的非线性折射率，也可以将其构建光电传感器，也可以将其用于冷原子分子气体密度的测量。利用半高斯激光束可以实现原子分子、介质粒子、生物分子、电子束等的光学微操控，其中包括原子分子反射镜、原子分子束能量低通滤波器、介质粒子以及生物分子囚禁、电子束加速器或者减速器等器件的构件。通常产生半高斯激光束的方法有两种，一种是在高斯激光束的中心垂直插入不透明片(刀片))的方法截去高斯激光束的一半，得到带有衍射条纹的半高斯激光束。根据光学知识知道，由于激光的相干性，这种方法得到的半高斯激光束具有很多振荡的衍射条纹，并不是真正的半高斯激光束。另一种方法是在2011年发明的采用侧向调制的周期性极化的LiTaO₃晶体进行频率变换以及光束整形，得到532nm半高斯激光束(见专利《532nm半高斯激光束发生器》，专利号：201110005840.3)。该发明的核心部分是侧向调制的周期性极化晶体，该晶体的结构参数与入射光源的波长相关，也就是说若要更换产生的半高斯激光束的波长，晶体也要相应重新加工。另外该技术产生的半高斯激光束在自由空间传输时会发生衍化。因此促使不断技术革新，开发出一种便捷、固化、适用范围广、能产生在自由空间可以稳定传输的半高斯激光束的技术，并将该半高斯激光束发生器技术进行商品化。

发明内容

本发明目的在于提供一种能产生任意波长的半高斯激光束的发生器，解决上述提出的传统方法产生的半高斯激光束具有衍射条纹的缺点，以及侧向调制的光学超晶格产生无衍射条纹的半高斯激光束的波长选择性以及传输稳定性问题。该任意波长的半高斯激光束发生器设计简单便捷、易于实施、适用波长范围广，产生的半高斯激光束在自由空间传输保持稳定，因此可以广泛用于激光物理、原子分子光学、生物物理、量子信息、光学测量与探测等领域。

本发明采用如下技术方案达到上述目的：

一种任意波长半高斯激光束发生器，它包括入射激光光源、准直系统、相干度衰减器及不透明片(刀片)，相干度衰减器由马达带动旋转的压在两块圆形有机玻璃中间的同尺寸形状的薄膜组成，任意波长的入射激光光源发出的高斯激光入射到准直系统、经准直之后的高斯激光经相干度衰减器之后转变为部分相干光，不透明片(刀片)边缘通过准直的入射的高斯激光束的中心；在不透明片(刀片)后面空间一段范围内得到与入射激光光源波长一致的无衍射条纹的纯净半高斯激光束。

所述入射激光光源出射的激光模式是TEM₀₀模，光强分布为高斯型，波长根据所需任意选择。

所述准直系统将入射激光束准直为平行光束，且可设置为不同的放大倍率，将入射光束扩束或者缩束到应用所需要的光束束腰大小。准直系统是由两个常规圆透镜组成，圆透镜的焦距可以根据应用需求选择和搭配，从而实现入射高斯激光束的不同倍率的扩束或者缩束，得到不同空间尺寸的高斯激光束，同时也拓宽了所产生的半高斯激光束的空间尺度范围。

所述入射激光光源波长为任意的，工作模式是连续的或脉冲的，偏振态是任意的线偏振、圆偏振或者椭圆偏振，输出光亦为相应任意波长的、连续的或脉冲的，与入射激光同偏振的半高斯激光束。

所述相干度衰减器由以下三部分构成：两片圆形有机玻璃、一片圆形薄膜、马达。薄膜夹在两片有机玻璃中间，整体固定在马达转轴上，并由马达带动整体旋转，构造简单，造价便宜。由于薄膜平面内的薄膜厚度存在激光波长量级的随机起伏，当激光光束通过薄膜时，光束横向场的不同位置光程不同，因此光场的相位得到调制。根据统计光学可知，当薄膜旋转之后，光束也由相干光转变为部分相干光。相干度衰减器适用于任意波长、任意工作模式的入射激光光源，在更换入射激光光源时不需要更换相干度衰减器，该光束整形技术适用范围广。

所述产生的半高斯激光束在自由空间传输时无衍射，继续保持半高斯形状的强度分布，也就是空间传输具有稳定性，具有更高的应用价值。

本发明的有益效果是：利用相干度衰减器改变激光光束性质，降低其相干度，实现一种任意波长的新型的全固态的半高斯激光束发生器的研制。该相干度衰减器结构简单，部件便于加工，造价低。另外产生的半高斯激光束在自由空间传输特性稳定，利用价值高。本发明没有复杂庞大的系统，原理及装置简单、成本较低、可扩展性强、光束传输稳定，是一种新型的全固态的激光器系统。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2中(a)本发明的显微镜拍摄的相干度衰减器薄膜图；(b)相干度衰减器实物图；

图3中(a)本发明实施例的不透明片(刀片)后端2cm处632.8nm入射高斯激光束的三维强度分布图；(b)一维强度分布曲线图；

图4中(a)本发明实施例获得的不透明片(刀片)后端2cm处的632.8nm半高斯激光束的三维强度分布曲线图；(b)一维强度分布曲线图；(c)10cm处的632.8nm半高斯激光束的三维强度分布曲线图；(d)一维强度分布曲线图。

具体实施方式

结合技术方案和说明书附图，详述本发明的具体实施方式。

以波长为632.8nm的氦氖激光作为入射激光光源为例：

(1)本发明实施的相干度衰减器设计如下：

拟用光学原理的知识以及波动光学的处理办法，理论上分析本发明产生半高斯激光光束的基本原理。定义相干度衰减器和不透明片(刀片)所在平面的坐标为(x₀,y₀,0)，刀片之后距离z处空间的平面的坐标为(x,y,z)。入射到相干度衰减器平面的准直高斯光束的光场复振幅U₀(x₀,y₀,0)为：

$U_0(x_0,y_0,0)=A{e}^{-\frac{{x_0}^2+{y_0}^2}{{w_0}^2}},---\left(1\right)$

其中w₀为准直激光光束的束腰半径，是与激光功率和光束束腰半径有关的复振幅

系数，P为激光的功率。插入准直高斯光束中心的不透明片(刀片)的透过率函数t(x₀,y₀,0)为阶梯函数：

$t(x_0,y_0,0)=\left\{\begin{array}{cc}0,& (x_0>0)\\ 1,& (x_0\≤0)\end{array}\right..---\left(2\right)$

借助相干度衰减器给激光场引入一个随机相位φ(x₀,y₀,0,t)，让本来步调一致的激光变得没有规律。相干度衰减器与不透明片(刀片)合起来的透过率函数t'(x₀,y₀,0)则可以写成如下形式：

t'(x₀,y₀,0)＝Tt(x₀,y₀,0)exp(iφ(x₀,y₀,0,t))，   (3)其中T为相干度衰减器的光强透过率，在实验中透过率约为60％。由于相干度衰减器上的光斑是在不断的转动着，固定位置处的光场相位φ(x₀,y₀,0,t)随着时间相应的不断改变，因此不能写出由于相干度衰减器引起的光场相位改变的固定表达式，建立了一个理论模型，将相干度衰减后的光场沿着x方向分成2n个相等的小区域，每个小区域内的光是相干的，相邻区域内的光是非相干的。不同小区域的激光的相位均匀分布在区间(0,2π)内，那么相干高斯光束通过空间光调制器和刀片后的复振幅U_s(x₀,y₀,0)可以写为：

$U_s(x_0,y_0,0)=\underset{j=-n}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_0(x_0,y_0,0)\mathrm{Tt}(x_0,y_0,0)\exp (i+\frac{2\mathrm{j\π}}{2n-1})---\left(4\right)$

根据菲涅耳衍射理论，可以计算出不透明片(刀片)之后空间任一位置z处光场的复振幅U(x,y,z)表达式：

$U(x,y,z)=\frac{e^{\mathrm{ikz}}}{\mathrm{i\λz}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{U}_s(x_0,y_0,0)e^{\frac{\mathrm{ik}}{2z}({(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2)}d{x}_0{\mathrm{dy}}_0.---\left(5\right)$

那么平面不透明片(刀片)之后任一空间位置z处的光场的强度分布为复振幅模的平方，即

I(x,y,z)＝U(x,y,z)U^*(x,y,z)＝|U(x,y,z)|²。   (6)用以上计算表达式，代入激光参数可以得到本发明所产生的的确是无衍射条纹的半高斯

激光束。实验上可以用相干度衰减器实现该理论模型。与之前的半高斯激光束产生方案

一样，定义一个质量因子Q_SGB(半高斯激光束陡峭上升沿的宽度与半高斯激光束部分的

宽度之比)来描述所得半高斯激光束的质量。

(2)如图1所示，本发明采用的入射激光光源1对波长，偏振没有要求,具体实验以连续的632.8nm氦氖激光器为例。

(3)如图1所示，入射激光光源1经过透镜2和3组成的准直系统变为平行光束。具体实验中，准直系统透镜2的焦距为10cm，透镜3的焦距为25cm。

(4)本实施例的相干度衰减器4的结构为一片圆形薄膜夹在两片等大的圆形有机玻璃中间，整体固定在旋转的马达上面。薄膜表面具有波长量级的随机起伏，从而更改入射高斯光场的相位分布，实现相干度的衰减。显微镜拍摄的薄膜表面颗粒分布如图2(a)所示，相干度衰减器的具体实物图如图2(b)所示。

上述具体实施例结果如图3和4所示，图3(a)为实验上用CCD相机拍摄的不透明片(刀片)5后端2cm处入射准直高斯激光的三维光强分布图，图3(b)为实验上用CCD相机拍摄的相应光束的一维强度分布曲线，很明显为高斯型分布。图4(a)为实验上用CCD相机拍摄的入射光不透明片(刀片)后端2cm处的半高斯激光束向的三维光强分布图，图4(b)为实验上用CCD相机拍摄的相应光束的一维强度分布曲线，很明显为半高斯型分布。由图4(b)可知，实验中测量到的半高斯激光束质量因子为Q_SGB＝1:14，该结果完全达到设计要求。图4(c)为实验上用CCD相机拍摄的入射光在不透明片(刀片)后端10cm处的半高斯激光束向的三维光强分布图，图4(d)为实验上用CCD相机拍摄的相应光束的一维强度分布曲线，很明显在传输一段距离之和，产生的半高斯激光束仍为半高斯型分布。由图4(d)数据分析可知，实验中测量到的半高斯激光束质量因子为Q_SGB＝1:5.5，也就是产生的半高斯激光束在自由空间传输时保持半高斯线形，同时在自由空间横向扩散，光束质量因子衰减。

本发明的有益效果还包括以下几个方面：

(1)本发明适用的入射激光光源范围广，对波长，偏振，重复频率没有要求。所以入射激光可以是任意波长的、任意偏振的、连续的、脉冲的(不同重复频率)。因此可以根据不同的应用需求，选择合适的入射激光光源。

(2)本发明的相干度衰减器的有机玻璃也可以更换为光学玻璃，可以提高相干度衰减器的光场强度透过率，可以获得更高功率的任意波长的半高斯激光束的输出。

(3)本发明获得的任意波长的半高斯激光束的优点是在自由空间传输稳定，在较长的距离范围内一直保持半高斯激光束形状，在现代光学与工业测量中有广泛的应用。

(4)本发明的光学整形技术整体结构简单，空间尺寸小，可以便携，造价低。

由以上分析可以看出，从硬件上优化半高斯激光束发生器光路系统以及相干度衰减器的质量，可以达到更高效、更高质量的、多波长的半高斯激光束的输出。

Claims (7)

1.一种任意波长半高斯激光束发生器，其特征是包括入射激光光源、准直系统、相干度衰减器及不透明片（刀片），相干度衰减器由马达带动旋转的压在两块圆形有机玻璃中间的同尺寸形状的薄膜组成，任意波长的入射激光光源发出的高斯激光入射到准直系统、经准直之后的高斯激光经相干度衰减器之后转变为部分相干光，不透明片（刀片）边缘通过准直的入射的高斯激光束的中心；在不透明片（刀片）后面空间一段范围内得到与入射激光光源波长一致的无衍射条纹的纯净半高斯激光束。

2.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是入射激光光源出射的激光模式是TEM₀₀模，光强分布为高斯型，波长根据所需任意选择。

3.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是准直系统，将入射激光束准直为平行光束，且可设置为不同的放大倍率，将入射光束扩束或者缩束到应用所需要的光束束腰大小。

4.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是入射激光光源工作模式是连续的或脉冲的，偏振态是任意的线偏振、圆偏振或者椭圆偏振，输出光亦为相应任意波长的、连续的或脉冲的，与入射激光同偏振的半高斯激光束。

5.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是相干度衰减器用于任意波长、任意工作模式的入射激光光源，在更换入射激光光源时不需要更换相干度衰减器。

6.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是相干度衰减器由两片圆形有机玻璃以及相同尺寸的薄膜组成，并由马达带动整体旋转。

7.根据权利要求1所述的任意波长半高斯激光束发生器，其特征是产生的半高斯激光束在自由空间传输时无衍射，继续保持半高斯形状的强度分布。