CN107272213B - 一种激光束匀化扩束整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光束匀化扩束整形装置，提高了高斯光束的均匀性，保持了光束的相位信息，且不改变激光束的偏振度。该激光束匀化扩束整形装置主要由沿光轴依次设置的激光器、准直镜、整形镜和准直物镜组成；其中，整形镜包括平板玻璃、吸收液体和物镜，所述吸收液体被封闭充满在平板玻璃与物镜之间，物镜与吸收液体接触的面为球面，吸收液体的折射率与物镜的折射率系数相同，吸收液体的吸收系数成反高斯分布，激光束经过整形镜的平板玻璃和吸收液体后，再经整形镜的物镜以及所述准直物镜后，成扩束的均匀平顶高斯光束。

Description

一种激光束匀化扩束整形装置

技术领域:

本发明涉及一种激光扩束整形装置，尤其涉及一种高均匀激光束匀化扩束整形装置。

背景技术：

激光已被广泛应用在各个领域，如激光加工、高密度全息存储、惯性约束核聚变等，激光束的光强分布一般呈高斯分布而非均匀分布。在上述应用领域，光束的非均匀性直接影响着激光加工能力、存储效果和打靶效果等，如何将高斯光束整形成均匀光束是世界上多个国家科技工作者追求的目标，是按当今世界研究的热点之一。

传统整形方案主要有以下三类:

一，采用衍射光学元件整形，这种方法光能利用率高，但是破坏了光束的相位分布，不能完整反应激光的特性。

二，扩大激光束的发散角，采用激光高斯光束中心区域的光耦合利用，这种方法保持了光束的相位信息，缺陷是光能利用率很低。

三，采用光调制器件，这种方式一般通过改变光场的偏振度，实现对光场信息的调制，这种方法也改变了光的特性，且成本较高。

发明内容：

本发明提出一种激光束匀化扩束整形装置，提高了高斯光束的均匀性，保持了光束的相位信息，且不改变激光束的偏振度。

本发明采用的技术解决方案如下：

该激光束匀化扩束整形装置，主要由沿光轴依次设置的激光器、准直镜、整形镜和准直物镜组成；其中，整形镜包括平板玻璃、吸收液体和物镜，所述吸收液体被封闭充满在平板玻璃与物镜之间，物镜与吸收液体接触的面为球面，吸收液体的折射率与物镜的折射率系数相同，吸收液体的吸收系数成反高斯分布，激光束经过整形镜的平板玻璃和吸收液体后，再经整形镜的物镜以及所述准直物镜后，成扩束的均匀平顶高斯光束。

基于以上方案，本发明还做了以下重要优化设计：

所述整形镜与准直物镜的口径匹配；扩束倍率由整形镜的焦距和准直物镜的焦距决定，满足：系统的扩束倍率为f₂：f₁，其中f₁为整形镜的焦距，f₂为准直物镜的焦距。

所述整形镜按照以下计算式配置：

设准直的束宽为ω，物镜与吸收液体接触面的曲率半径为ρ，吸收液体的吸收系数为

吸收液体的半径为a，离物镜光轴为r处的液体厚度为L(r)，则该处的透过率T(r)为：

T(r)＝exp[-αL(r)] (1)

式中

为吸收液体中心厚度。

所述吸收液体采用有机溶液。

所述平板玻璃由熔石英制成。

本发明的优点在于：

利用激光器、准直镜、整形镜、准直物镜的特定组合，并结合吸收液体整形技术，实现了对高斯激光的匀化扩束整形，系统结构简明、性能稳定、成本低廉。

采用该装置，使均匀性相对较低的高斯光束转化为均匀性较好的平顶高斯光束，整形扩束后的激光相位信息未变，偏振信息未变，整形时光能的转换效率高。

附图说明：

图1为本发明的基本结构示意图；

图2为图1中整形镜的细部放大图。

附图标号说明：

1-激光器；2-准直镜；3-整形镜；301-平板玻璃；302-吸收液体；303-物镜；4-准直物镜。

具体实施方式：

如图1所示，本发明主要由激光器1、准直镜2、整形镜3和准直物镜4组成。

工作时，由激光器1发出的激光光束，准直镜2准直后，形成准直光束，经整形镜3后，再经准直物镜4准直后，成均匀的准直扩束激光束。整形镜3由平板玻璃301、吸收液体302和物镜303组成；吸收液体被封闭在整形镜3的平板玻璃和物镜之间，物镜303与吸收液体接触的面为球面，吸收液体的折射率与物镜的折射率系数相同，吸收液体的吸收系数成反高斯分布，激光束经过整形镜3的平板玻璃和吸收液体后，成均匀性较好的平顶高斯光束，经整形镜3中的物镜和准直物镜4后，成扩束的均匀平顶高斯光束。扩束倍率由整形镜3的焦距和准直物镜4的焦距决定，如整形镜3的焦距为f₁，准直物镜4的焦距为f₂，则系统的扩束倍率为f₂：f₁，同时保证整形镜3和准直物镜4的口径匹配，也满足扩束倍率的关系，激光束通过扩束系统后不受限。

激光器通过准直镜后，成准直的高斯光束，此高斯光束经过整形镜时，其强度分布如下：若吸收液体的吸收系数为α，离物镜光轴为r处的液体厚度为L(r)，则该处的透过率T(r)为：

T(r)＝exp[-αL(r)] (1)

若吸收液体的半径为a，物镜与吸收液体接触面的曲率半径为ρ，则

式中

为吸收液体中心厚度。

当

时，

式中，T₀＝exp[-αL₀]为整形镜中心的透过率，由(3)式可知，整形镜径向透过率为反高斯分布。

当准直的束宽为ω，光束中心强度为I₀，其径向强度为高斯分布：

I_r＝I₀exp(-2r²/ω²)

当高斯光束通过所设计的整形镜的吸收液体时，其强度分布可表述为：

I(r)≈I_r×T_r＝I₀T₀exp[(ar²/2ρ)-(2r²/ω²)]

当吸收系数为

的液体充满整形镜空腔时，激光光强分布I可变为：

I≈I₀T₀

采用上述整形镜可实现对激光光束整形，使激光在通过整形镜平板玻璃和吸收液体后强度分布均匀化。

整个装置后端整体可视为扩束镜，仅对激光光束进行扩束，不改变激光的传输特性。

Claims (3)

1.一种激光束匀化扩束整形装置，其特征在于：由沿光轴依次设置的激光器、准直镜、整形镜和准直物镜组成；其中，整形镜包括平板玻璃、吸收液体和物镜，所述吸收液体被封闭充满在平板玻璃与物镜之间，物镜与吸收液体接触的面为球面，吸收液体的折射率与物镜的折射率系数相同，吸收液体的吸收系数成反高斯分布，激光束经过整形镜的平板玻璃和吸收液体后，再经整形镜的物镜以及所述准直物镜后，成扩束的均匀平顶高斯光束；所述吸收液体采用有机溶液；

所述整形镜按照以下计算式配置：

设准直的束宽为ω，物镜与吸收液体接触面的曲率半径为ρ，吸收液体的吸收系数为

吸收液体的半径为a，离物镜光轴为r处的液体厚度为L(r)，则该处的透过率T(r)为：

T(r)＝exp[-αL(r)] (1)

式中，吸收液体中心厚度

2.根据权利要求1所述的激光束匀化扩束整形装置，其特征在于：所述整形镜与准直物镜的口径匹配；扩束倍率由整形镜的焦距和准直物镜的焦距决定，满足：系统的扩束倍率为f₂：f₁，其中f₁为整形镜的焦距，f₂为准直物镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的激光束匀化扩束整形装置，其特征在于：所述平板玻璃由熔石英制成。

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