CN107861250A - 基于色散光栅的光束整形装置和调控方法 - Google Patents

基于色散光栅的光束整形装置和调控方法 Download PDF

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周军
何兵
漆云凤
叶韧
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Abstract

一种基于色散光栅的光束整形装置，包括光源、准直透镜、光栅、反射镜和柱透镜；光源出射的光束经准直透镜扩束准直后入射到光栅，所述的光栅的衍射光斑经高反镜反射后入射到柱透镜，所述的柱透镜对衍射光斑的发散方向进行准直输出。本发明通过控制光源的线宽、光栅角色散和柱透镜焦距，实现光斑椭圆度可调控的椭圆光斑，并可将光斑整形为均匀度的线状光斑。通过逆用光栅衍射的原理实现阵列光源输出光束的共孔径输出可有效地提升整形光束的亮度。

Description

基于色散光栅的光束整形装置和调控方法
技术领域
本发明属于光束整形装置及方法，特别是椭圆光斑和线状光斑的光束整形装置和调控方法；本发明涉及色散光栅实现衍射光斑的与光栅刻线方向正交的衍射光斑方向的发散角增大的原理调制衍射光斑的光束形状，本发明还涉及逆用光栅实现阵列光源光束的共孔径输出提升整形光束的亮度。
背景技术
通常激光在激光腔内振荡输出的光斑和形状为圆形，光斑的光束发散角在不同方向具有较好的一致性。而在工业加工、材料处理和光学照明等应用中，需要对光束进行整形以方便激光应用。例如在激光退火应用中需要均匀性较好的线状光斑，而在手术过程中针对常见线状刀口的手术照明中也需要条状的光斑进行照明。因此，光束整形是激光应用系统中关键技术和器件，对圆形光斑进行光束整形获得线状光斑具有重要的意义。
在先技术“激光光束整形装置CN2611929Y”采用棱镜阵列的拼接的方法获得线性光斑。光源光斑的尺寸限制了线状光斑的长度的扩展性能，而且阵列棱镜的加工和装调精度也将影响光斑的连续性和均匀性。
在先技术“手术灯的照明组件、手术灯及手术灯光斑调节方法CN104819403A”则简单地采用多个光源重叠的方法获得椭圆光斑。由于光斑重叠区的光强相对较强，整体椭圆光斑的均匀性较差。
在先技术“椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯CN104819433A”设计了一种全内反射镜获得椭圆光斑，并利用椭圆光斑装配到手术灯。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明基于圆形光斑经光栅可改变色散方向光斑发散角的原理，通过控制光源的线宽、光栅角色散和柱透镜焦距，实现椭圆度可控的光束整形，具体技术解决方案如下：
一种基于色散光栅的光束整形装置，其特点在于，包括光源、准直透镜、光栅、反射镜和柱透镜；
光源出射的光束经准直透镜扩束准直后入射到光栅，所述的光栅的衍射光斑经高反镜反射后入射到柱透镜，所述的柱透镜对衍射光斑的发散方向进行准直输出。
所述的柱透镜的曲面母线和所述的光栅的刻线垂直。
所述的柱透镜的焦距为该柱透镜和所述的光栅之间的光程，通过改变所述的柱透镜的焦距调节整形光斑的椭圆率。
所述的光源为激光光源或LED光源；
所述的光源为单个光源或阵列光源，光源的位置需要满足所述的光栅的光栅方程。
所述的阵列光源的中心间距ΔL满足如下条件：
式中，δλN为阵列光源之间中心波长间隔，F为准直透镜的焦距，k，d和α分别为光栅的衍射级次、光栅常数和闪耀角。
所述的光栅为闪耀光栅，入射光束和所述的光栅处于利特罗结构。
所述的柱透镜对衍射光斑的发散方向进行准直输出，输出的光斑为椭圆光斑或线性光斑。
同时，本发明提供一种基于色散光栅光束整形的调控方法，其特点在于，通过控制所述的光源的光谱带宽δλ、所述的光栅的闪耀角α和所述的柱透镜(的焦距f调节光栅色散方向的光斑增量Δφ，从而实现光束形状的调控，公式如下：
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)根据光栅色散可增加色散方向光束发散角的原理，通过调节准直柱透镜与光栅的距离来控制准直光束的椭圆比，当椭圆比远小于1时候，整形的光束即为线型光斑，实现光束整形，且光斑经过光栅的多光束干涉，其光束均匀性较好。
2)通过逆用光栅衍射的原理实现阵列光源输出光束的共孔径输出可有效地提升整形光束的亮度。
3)有效解决了椭圆光斑和线性光斑的可控型光束整形。
附图说明
图1本发明基于色散光栅的光束整形装置的结构示意图。
图2本发明基于色散光栅的光束整形装置的第二种实施例的结构示意图。
图3本发明光源光斑及不同调控尺寸的整形光斑形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明基于色散光栅的光束整形装置的结构示意图。如图所示，一种基于色散光栅的光束整形装置，包括光源1、准直透镜2、光栅3、反射镜4和柱透镜5组成。本发明基于圆形光斑经光栅可改变色散方向光斑发散角的原理，通过控制光源的线宽、光栅角色散和柱透镜焦距，可实现椭圆度可控的椭圆光斑。上述各部分的位置关系如下：
光源1出射的光束经准直透镜2扩束准直后入射到处于利特罗(Littrow)结构的光栅3，所述的光栅3的衍射光斑经高反镜4反射后入射到柱透镜5，所述的柱透镜5的焦距为该柱透镜和光栅之间的光程，所述的柱透镜5的曲面母线和所述的光栅3刻线垂直。所述的柱透镜5对衍射光斑的发散方向进行准直输出，准直输出的光斑为线形光斑，如图3所示。
基于色散光栅光束形状的调控方法如下：所述的光源1发射的光束扩束准直后经所述的光栅3衍射，色散方向的衍射光束发散角会增加，从而使改方向的光斑尺寸在传输过程中增加，而与色散垂直方向的衍射光束发散角和光斑尺寸不变。衍射光束的经柱透镜5准直后，色散方向的光斑增量Δφ为其中f为所述的柱透镜5的焦距，δλ为所述的光源1的光谱宽度，k，d和α分别为所述的光栅3的衍射级次、光栅常数和闪耀。因此，可通过控制所述的光源1的光谱带宽、所述的光栅3的闪耀角和所述的柱透镜5的焦距位置调节光斑增量，从而实现光束形状的调控，如图3内整形光斑所示。具体地，增加光谱宽度δλ和闪耀角α以及透镜焦距l将会增加输出光斑的椭圆率。
例如采用闪耀角为79°中阶梯光栅，如果中心波长为1064nm光源的光谱线宽为10nm，准直柱透镜的焦距为1m，则色散方向光斑的增加96.7mm。
值得注意的是，例如对光束准直无要求的医学照明应用，本实施方式中的柱透镜也是可以根据实际应用需求可省去的，通过调节工作距离可简单有效地控制发散光束的光斑尺寸。
本发明的第二种实施例如图2所示。为了提高整形光斑的亮度，本发明可对阵列光源进行光束整形。根据光栅衍射原理和光栅方程，衍射光束中光束的衍射角度与激光波长相关，我们通过逆用光栅衍射，将不同激光波长的光束按照满足光栅衍射的角度入射到光栅后可实现多路子光束的共孔径输出。
我们考虑阵列光源中任一路光束1-N，其光谱中心波长λN和光束入射角βN，该光束与其他光束共孔径输出时需满足如下光栅方程，
d(sinα+sinβN)＝kλN. (1)
式中：k，d和α分别为光栅3的衍射级次、光栅常数和闪耀角；
阵列光源的中心间距ΔL为
式中δλN为阵列光源之间中心波长间隔，F为准直透镜2的焦距。
因此，本发明通过光栅角色散原理可实现目标光束整形，并且通过逆用光栅衍射将阵列光束共孔径输出有效地提升整形光束的亮度。

Claims (8)

1.一种基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，包括光源(1)、准直透镜(2)、光栅(3)、反射镜(4)和柱透镜(5)；
光源(1)出射的光束经准直透镜(2)扩束准直后入射到光栅(3)，所述的光栅(3)的衍射光斑经高反镜(4)反射后入射到柱透镜(5)，所述的柱透镜(5)对衍射光斑的发散方向进行准直输出。
2.根据权利要求1所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的柱透镜(5)的曲面母线和所述的光栅(3)的刻线垂直。
3.根据权利要求1所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的柱透镜(5)的焦距为该柱透镜和所述的光栅(3)之间的光程，通过改变所述的柱透镜(5)的焦距调节整形光斑的椭圆率。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的光源(1)为激光光源或LED光源。
5.根据权利要求4所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的光源(1)为单个光源或阵列光源，光源的位置需要满足所述的光栅(3)的光栅方程。
6.根据权利要求5所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的阵列光源的中心间距ΔL满足如下条件：
式中，δλN为阵列光源之间中心波长间隔，F为准直透镜(2)的焦距，k，d和α分别为光栅(3)的衍射级次、光栅常数和闪耀角。
7.根据权利要求1-3任一所述的基于色散光栅的光束整形装置，其特征在于，所述的光栅(3)为闪耀光栅，入射光束和所述的光栅(3)处于利特罗结构。
8.权利要求1所述的基于色散光栅光束整形的调控方法，其特征在于，通过控制所述的光源(1)的光谱带宽δλ、所述的光栅(3)的闪耀角α和所述的柱透镜(5)的焦距f调节光栅(3)色散方向的光斑增量Δφ，从而实现光束形状的调控，公式如下：
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