CN106526872A - 一种透射式激光光束整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式激光光束整形系统，包括透射式相位调制镜、空间滤波镜及透射式准直镜。透射式相位调制镜入射面为高度不同的凹凸间隔同心圆环面，相邻的凸面与凹面对应激光束相邻的峰，激光的出射面为凸面；空间滤波镜对透射式相位调制镜的输出光束的模式进行筛选，使其中心主峰光束能通过，次级小峰被反射吸收；透射式准直镜对经过选择的主峰光束的发散角进压缩，得到模式单一、发散角小、能量损耗小的激光；本发明提供的这种透射式激光光束整形系统具有结构简单、调整方便的特点，得到的光束基模功率高，可适用于激光切割、焊接、打孔等多种激光加工过程。

Description

一种透射式激光光束整形系统

技术领域

本发明属于激光光束整形技术领域，更具体地，涉及一种透射式激光光束整形系统。

背景技术

激光的优点在于良好的方向性、单色性和相干性。在很多激光应用场合，例如激光切割、焊接、打孔以及激光医疗等微精密加工中，都希望激光器能工作在发散角最小、光束质量最好的基模状态。对于很多大增益介质的激光器而言，如果不采取选模措施，激光器往往工作在高阶横模状态，截面上的光束能量分布不均匀，直接输出达不到预期效果，需要对激光输出光束的横模进行选择，抑制高阶模，使输出激光的基模占比增加，得到截面能量分布更加均匀的激光光束。

传统选模方法，如小孔光阑选模，谐振腔参数选模、非稳腔选模、微倾腔镜选模等可以使激光输出的光束质量提高；小孔光阑选模可以在激光器外进行模式选择，但使用小孔光阑在很大程度上限制了模体积，增加了模损耗；而其他的方法均需要对激光器本身进行更改。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种透射式激光光束整形系统，其目的在于在通过外部激光光束整形系统将激光器输出的高阶模转换为基模，在尽可能保证激光光束能量的前提下，获得更多的基模输出激光。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种透射式激光光束整形系统，包括透射式相位调制镜、空间滤波镜和透射式准直镜；

其中，透射式相位调制镜的激光入射面为高度不同的凹凸间隔同心圆环面，相邻的凸面与凹面分别对应入射激光束相邻的峰；透射式相位调制镜的出射激光聚焦形成聚焦光斑，聚焦光斑包括主峰和旁瓣；

空间滤波镜设于透射式相位调制镜出射激光聚焦光斑处，空间滤波镜中心部位有可透光的光孔；主峰从光孔穿过，旁瓣则被空间滤波镜反射吸收；

透射式准直镜为凸透镜，其前焦面位于空间滤波镜中心处；透射式准直镜用于对空间滤波镜的出射激光进行准直。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其透射式相位调制镜的激光入射面的凸面与凹面的高度差Δ满足：

其中，n为透射式相位调制镜材料对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其透射式相位调制镜的出射面为凸面，将出射激光聚焦形成聚焦光斑。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其透射式相位调制镜的出射面为平面；且该透射式激光光束整形系统还包括单透镜，该单透镜设于透射式相位调制镜的出射面与空间滤波镜之间，空间滤波镜设于单透镜的焦点处。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其空间滤波镜的中心光孔大小可调；通过调整该光孔的大小来调整输出激光的能量大小。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其空间滤波镜的光孔周围设有一个不透明的圆锥面，圆锥面镀有增反膜；

透射式相位调制镜的出射光中的主峰从光孔穿过，旁瓣则被不透明圆锥面反射，被反射的光线照射到另一角度的不透明圆锥面上被吸收。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其空间滤波镜内部设有环形水冷通道，通过水冷降低吸收光线的不透明圆锥面的温度。

优选地，上述透射式激光光束整形系统，其透射式相位调制镜与透射式准直镜的各表面均镀有增透膜。

在激光器输出高功率高阶激光的基础上，通过本发明提供的上述透射式激光光束整形系统将高阶模转换为近似基模输出；该激光光束整形系统可以在尽可能保证激光光束能量的前提下，获得更多的近似基模输出激光；并且该系统应用于激光器外，可针对具体的输出激光模式，调整其各项参数，获得更好的输出光束模式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的透射式激光光束整形系统，与现有技术相比，由于采用入射面为高度不同的凹凸间隔同心圆环面的透射式相位调制镜，将入射激光束分成主峰与旁瓣，通过空间滤波镜滤除旁瓣，仅保留主峰，并采用透射式准直镜缩小主峰的发散角，不仅实现整形还实现了准直，大大简化了整个光路的结构，得到更理想的输出光束；得到的输出光束为近似基模高斯光束，横截面光斑没有其他模式干扰，输出光束质量好，输出功率高，光斑能量分布连续；

(2)本发明提供的透射式激光光束整形系统，由于保留集中了激光能量的90％的主峰，尽可能的保存了激光的输出光能量，减少了光束整形过程中的能量损耗，可获得能量相对高的输出激光；

(3)本发明提供的透射式激光光束整形系统，其空间滤波镜设计巧妙，增加了反射，扩大了激光吸收面积；并且增加了水冷通道，有效解决了高功率激光带来的发热问题，不但能有效滤除旁瓣光，而且可以吸收旁瓣光束能量，消除了反射激光的危害；

(4)本发明提供的透射式激光光束整形系统，可在激光器外部对激光光束进行调节整形，不破坏激光器内部结构，适用不同输出功率的激光器的光束整形，可以针对具体激光器的输出激光模式对镜面参数进行调整，从而得到符合需求的激光光束，适用范围广泛；并且由于结构简单，具有安装方便简单的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的透射式激光光束整形系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的透射式相位调制镜的俯视、侧视图；

图3是本发明实施例中的空间滤波镜剖面结构图；

图4是本发明实施例中的入射激光模式分布图；

图5是本发明实施例中的入射激光振幅相位分布示意图；

图6是本发明实施例中的整形后的激光振幅相位示意图；

图7是本发明实施例中通过空间滤波镜前的激光振幅分布示意图；

图8是本发明实施例中输出激光振幅分布示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-透射式相位调制镜、2-空间滤波镜、3-透射式准直镜、4-激光入射面、5-激光出射面、6-通光孔、7-第一圆锥面、8-第二圆锥面、9-孔道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的透射式激光光束整形系统，其系统结构如图1所示意的，包括透射式相位调制镜1、空间滤波镜2和透射式准直镜3；

透射式相位调制镜1为透镜，其激光入射面4用于对入射的多模激光进行整形；激光入射面4是由1个圆面和4个半径不同的同心环形面的组合，相邻环形面的位置不同，呈现出凹凸间隔的表面特征；激光入射面4上，相邻的凸面与凹面对应激光束相邻的峰，透射式相位调制镜1的俯视图如图2(a)所示，侧视图如图2(b)所示；

图2(b)中，Δ为凸面和凹面的高度差，满足：

其中，n为透射式相位调制镜材料对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

透射式相位调制镜1的激光出射面5为凸面，对入射激光产生汇聚，在透射式相位调制镜1的焦点处形成聚焦光斑，形成的聚焦光斑的能量分布呈一个主峰和旁瓣光束。

空间滤波镜2设置在与透射式相位调制镜1对应的焦面处，空间滤波镜2的剖面如图3所示，透射式相位调制镜1的出射光中心的主峰从空间滤波镜2中间的通光孔6通过，旁瓣光束照射到第一圆锥面7上，第一圆锥面7镀有增反膜，光束在第一圆锥面7上发生反射，照射到第二圆锥面8上，旁瓣光束在第二圆锥面8上被吸收；孔道9是水冷通道，通过往孔道9注入流动的水来降低空间滤波镜2的温度。

透射式准直镜3的焦点也在空间滤波镜2的位置处，透射式相位调制镜1的出射光经空间滤波镜2整形和汇聚后，通过透射式准直镜3进行准直，得到输出光束；图1中通过空间滤波镜2的水平方向虚线示意主光轴位置，其他虚线示意光束轮廓。

入射激光可能有多种不同模式分布；以下以入射激光的一种模式分布情况为例，对实施例提供的这种透射式激光光束整形系统进行具体阐述；对其他模式的入射激光的整形可以在示例基础上进行调整。

该例中，入射激光模式分布如图4所示，其中图4(a)为入射激光横截面上振幅分布与位置关系立体图，图4(b)为入射激光振幅随横截面直径上位置变化的二维图，横轴是距离光轴中心的距离，纵轴是归一化振幅；图5是入射激光的截面沿直径方向振幅相位分布图，上方曲线代表沿截面直径方向的振幅分布，与图4(b)相同，下方数值表示沿截面直径方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位不同；透射式相位调制镜1的凹凸间隔的激光入射面4让不同相位的光通过不同厚度的介质，达到调整相位的目的，从透射式相位调制镜1的出射面5出射的激光光束的相位统一，如图6所示为出射激光的截面沿直径方向振幅相位分布图，上方曲线代表沿截面直径方向的振幅分布，与图4(b)相同，下方数值表示沿截面直径方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位相同；与图5相比较而言，振幅差异不变，相位达到成一致。

透射式相位调制镜1的出射光经传输到达空间滤波镜2时，激光的振幅分布如图7所示，图7(a)是激光横截面上振幅分布立体图，图7(b)是激光振幅随横截面直径上位置变化的二维图，横轴是距离光轴中心的距离，纵轴是归一化振幅，可以看出此时激光为中间主峰、旁边旁瓣的形式；该激光光束通过空间滤波镜2时，旁瓣的光束被阻挡，中间主峰光束顺利通过空间滤波镜2的通光孔6；通过空间滤波镜2之后的激光如图8所示意的，激光模式去掉了旁瓣，只保留了中间的主峰光束；图8(a)是输出激光横截面上振幅分布立体图，图8(b)是输出激光振幅随横截面直径上位置变化的二维图，横轴是距离光轴中心的距离，纵轴是归一化振幅。

根据入射激光的模式来调整透射式相位调制镜1的入射面4；具体地，调整激光入射面4的不同凹凸环的半径与对应凹凸环的个数的变化，入射激光模式的径向节线圆数目与凹凸环的个数相等，同一个节线圆上的激光入射在同一个激光入射面4的圆环上，使得从出射面5输出的光束的相位一致。

输入激光通过实施例提供的这种透射式激光光束整形系统后，输出激光的模式单一，截面光斑能量分布连续，并且输出激光的发散角更小，输出光束的方向性更好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种透射式激光光束整形系统，其特征在于，包括透射式相位调制镜、空间滤波镜和透射式准直镜；

所述透射式相位调制镜的激光入射面为高度不同的、凹凸间隔的同心圆环面，相邻的凸面与凹面分别对应入射激光束相邻的峰；所述透射式相位调制镜的出射激光聚焦形成聚焦光斑，所述聚焦光斑包括主峰和旁瓣；

所述空间滤波镜设于透射式相位调制镜出射激光聚焦光斑处，空间滤波镜中心部位有光孔；所述主峰从光孔穿过，旁瓣则被空间滤波镜反射吸收；

所述透射式准直镜的前焦面位于空间滤波镜中心处；透射式准直镜用于对空间滤波镜的出射激光进行准直。

2.如权利要求1所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述透射式相位调制镜的激光入射面的凸面与凹面的高度差Δ满足：

其中，n为透射式相位调制镜材料对入射激光的折射率，λ是入射激光的波长，k为正整数。

3.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述透射式相位调制镜的出射面为凸面，将出射激光聚焦形成聚焦光斑。

4.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述透射式相位调制镜的出射面为平面；所述透射式激光光束整形系统还包括单透镜，所述单透镜设于透射式相位调制镜的出射面与空间滤波镜之间，空间滤波镜设于单透镜的焦点处。

5.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述空间滤波镜的光孔大小可调；通过调整所述光孔的大小来调整输出激光的能量大小。

6.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述空间滤波镜的光孔周围设有一个不透明的圆锥面，所述圆锥面镀有增反膜；

所述透射式相位调制镜的入射光的主峰从所述光孔穿过，旁瓣则被不透明圆锥面反射，被反射的光线照射到另一角度的不透明圆锥面上被吸收。

7.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述空间滤波镜内部设有水冷通道，通过水冷降低吸收光线的圆锥面的温度。

8.如权利要求1或2所述的透射式激光光束整形系统，其特征在于，所述透射式相位调制镜与透射式准直镜的各表面均镀有增透膜。