CN108931855A - 一种环形光束变换装置及变换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种环形光束变换装置及变换方法，属于激光束控制技术领域，所述装置包括聚焦透镜、管状反射器和准直透镜，聚焦透镜用于对环形光束进行聚焦，聚焦后的环形光束自管状反射器的一端入射至管状反射器的内壁，经内壁反射后的环形光束自管状反射器的另一端输出，准直透镜用于对经管状反射器输出的环形光束进行准直，本发明结构新颖且简单，成本低，利用管状反射镜的内壁反射，配合聚焦透镜和准直透镜实现环形光束内径和外径的任意变换，实用性强。

Description

一种环形光束变换装置及变换方法
技术领域
本发明属于激光束控制技术领域，具体地说涉及一种环形光束变换装置及变换方法。
背景技术
环形光束是高功率激光器和高能量激光器中常见的一种光束形式。在某些应用环境下，需要对环形光束的内径、外径进行任意变换，以达到与其他光学系统的耦合，实现特定功能的目的，如激光参数测量、波前校正等。目前，实现环形光束变换的方法主要分为两种：一种是采用透镜组实现光束变换，如图1所示，该方法只能够实现环状光束内径、外径的等比变换，变换前后的光束存在关系：无法任意调整内径、外径大小。另一种是反射式的环形光束变换方法，如图2所示，该方法可以实现内外环的同等变化，变换前后的光束存在关系：R1-R2＝R1′-R2′，无法改变光束环带的大小。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种能够任意调节内径和外径的环形光束变换装置及变换方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种环形光束变换装置，包括：
聚焦透镜，其位于环形光束的传输光路上，用于对环形光束进行聚焦；
管状反射器，其沿着环形光束的传输光路设置，聚焦后的环形光束自管状反射器的一端入射至管状反射器的内壁，经内壁反射1次后的环形光束自管状反射器的另一端输出，所述管状反射器的中心轴线、聚焦透镜的光轴以及环形光束的传输光路重合，且管状反射器与聚焦透镜的最小间距大于聚焦透镜的焦距；
和准直透镜，其位于环形光束的传输光路上，用于对经管状反射器输出的环形光束进行准直。
进一步，所述准直透镜的光轴与环形光束的传输光路重合，且准直透镜的通光半径大于经管状反射器输出的环形光束的外径。
进一步，所述准直透镜由位于普通透镜上的子区域绕环形光束的传输光路旋转360°形成，所述子区域为准直透镜的通光半径。
进一步，所述普通透镜的光轴与环形光束的传输光路平行，所述管状反射器沿其周向分为若干反射器子块，与普通透镜的光轴处于同一垂直面内的反射器子块反射后的环形光束的延长线交点位于普通透镜的光轴上。
进一步，所述环形光束的外径为R1，其内径为R2，经准直透镜准直后输出的环形光束的外径为R1'，其内径为R2'，聚焦透镜的焦距为f，管状反射器的内径为R，聚焦透镜的焦点至准直透镜的距离为L，则
另，本发明还提供一种环形光束变换装置的变换方法，包括如下步骤：
S1：环形光束作为入射光束，其外径为R1，其内径为R2，入射光束经过聚焦透镜聚焦并发散传输至管状反射器，聚焦透镜的焦距为f，管状反射器的内径为R；
S2：入射光束在管状反射器的内壁上反射1次并输出形成出射光束，出射光束经准直透镜准直成平行光并输出形成输出光束，聚焦透镜的焦点至准直透镜的距离为L，所述输出光束即为变换后的环形光束，其外径为R1'，其内径为R2'；
S3：通过调节f、R和L，实现输出光束内径和外径的任意调节。
进一步，
进一步，所述准直透镜的光轴与环形光束的传输光路重合，且准直透镜的通光半径大于出射光束的外径。
进一步，所述准直透镜由位于普通透镜上的子区域绕环形光束的传输光路旋转360°形成，所述子区域为准直透镜的通光半径。
进一步，所述普通透镜的光轴与环形光束的传输光路平行，所述管状反射器沿其周向分为若干反射器子块，与普通透镜的光轴处于同一垂直面内的反射器子块反射后的环形光束的延长线交点位于普通透镜的光轴上。
本发明的有益效果是：
结构新颖且简单，成本低，利用管状反射镜的内壁反射，配合聚焦透镜和准直透镜实现环形光束内径和外径的任意变换，实用性强。
附图说明
图1是采用透镜组实现光束变换的结构示意图；
图2是反射式环形光束变换方法的结构示意图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4是本发明的光路示意图；
图5是实施例二中环形光束的波前分布图；
图6是实施例三中环形光束的波前分布图。
附图中：1-聚焦透镜、2-管状反射器、3-普通透镜、4-环形光束、5-变换后的环形光束、6-准直透镜。
其中，图1、图2和图4中，R1表示变换前的环形光束的外径，R2表示变换前的环形光束的内径，R1'表示变换后的环形光束的外径，R2'表示变换后的环形光束的内径。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
参考图4，一种环形光束变换装置，包括聚焦透镜1、管状反射器2和准直透镜6。其中，聚焦透镜1位于环形光束4的传输光路上，对环形光束4起到聚焦作用。管状反射器2沿着环形光束4的传输光路设置，聚焦后的环形光束4自管状反射器2的一端入射至管状反射器2的内壁，经内壁反射后的环形光束4自管状反射器2的另一端输出，同时，所述管状反射器2的中心轴线、聚焦透镜1的光轴以及环形光束4的传输光路重合，且管状反射器2与聚焦透镜1的最小间距大于聚焦透镜1的焦距，也就是说，环形光束4经聚焦透镜1聚焦后并发散。准直透镜6位于环形光束4的传输光路上，用于对经管状反射器2输出的环形光束4进行准直，且准直透镜6的通光半径大于经管状反射器2输出的环形光束4的外径。
参考图4，所述环形光束4(即变换前的环形光束)的外径为R1，其内径为R2，经准直透镜6准直后输出的环形光束(即变换后的环形光束)的外径为R1'，其内径为R2'，聚焦透镜1的焦距为f，管状反射器2的内径为R，聚焦透镜1的焦点至准直透镜6的距离为L，则
参考图3，所述准直透镜6由位于普通透镜3上的子区域(即箭头直线P)绕环形光束的传输光路旋转360°形成，所述子区域为准直透镜6的通光半径。虚线A表示环形光束4的传输光路，虚线B表示普通透镜3的光轴，所述普通透镜3的光轴(即虚线B)与环形光束4的传输光路(即虚线A)平行，所述管状反射器2沿其周向分为若干反射器子块，与普通透镜3的光轴处于同一垂直面内的反射器子块反射后的环形光束的延长线交点位于普通透镜3的光轴上。
具体的，采用所述环形光束变换装置的具体变换过程为：
首先，环形光束4作为入射光束，入射光束经过聚焦透镜1聚焦并发散传输至管状反射器2。
然后，入射光束在管状反射器2的内壁上反射并输出形成出射光束，出射光束经准直透镜6准直成平行光并输出形成输出光束，所述输出光束即为变换后的环形光束5。
在上述变换过程中，通过调节f、R和L，实现输出光束(即变换后的环形光束5)内径和外径的任意调节。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
本实施例中将变换装置与变形镜结合，以实现波前校正。
变换前的环形光束的内径为20mm，外径为25mm，环带宽度为5mm，其波前分布如图5(a)所示，PV值为2.7μm。由于变换前的环形光束的环带宽度较小，普通的变形镜无法实现波前校正，因此，通过变换装置将环带展宽。具体参数R＝70mm，变换后的环形光束的内径为20mm，外径为60mm，环带宽度为40mm，其波前分布如图5(b)所示，PV值为2.7μm。采用常规的变形镜对光束进行波前校正，校正后的波前分布如图5(c)所示，残差PV值为0.35μm。
也就是说，通过变换装置的调节，使环形光束的环带面积增大，保证变形镜与光束作用的区域内有足够的驱动器，提高波前校正的效果。
实施例三：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
本实施例中将变换装置与测量设备结合，以实现光束测量。
变换前的环形光束的内径为20mm，外径为25mm，环带宽度为5mm。若采用传统的方法进行缩束，环带宽度也会等比例缩小，如将外径缩小为5mm，内径为4mm，环带宽度将变为1mm，较窄的环带宽度将导致波前测量精度不足，测量结果如图6(a)所示。因此，通过变换装置进行光束变换，具体参数R＝7.5mm，变换后的环形光束的内径为1mm，外径为5mm，环带宽度为4mm，采用普通的波前传感器进行测量，由于环带宽度足够，可以获得较高的测量精度，测量结果如图6(b)所示。
也就是说，通过变换装置的调节，保证光束按照设计要求进入探测设备内，提高测量精度，该探测设备可以是近场CCD，也可以是波前传感器。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种环形光束变换装置，其特征在于，包括：
聚焦透镜，其位于环形光束的传输光路上，用于对环形光束进行聚焦；
管状反射器，其沿着环形光束的传输光路设置，聚焦后的环形光束自管状反射器的一端入射至管状反射器的内壁，经内壁反射1次后的环形光束自管状反射器的另一端输出，所述管状反射器的中心轴线、聚焦透镜的光轴以及环形光束的传输光路重合，且管状反射器与聚焦透镜的最小间距大于聚焦透镜的焦距；
和准直透镜，其位于环形光束的传输光路上，用于对经管状反射器输出的环形光束进行准直。
2.根据权利要求1所述的一种环形光束变换装置，其特征在于，所述准直透镜的光轴与环形光束的传输光路重合，且准直透镜的通光半径大于经管状反射器输出的环形光束的外径。
3.根据权利要求2所述的一种环形光束变换装置，其特征在于，所述准直透镜由位于普通透镜上的子区域绕环形光束的传输光路旋转360°形成，所述子区域为准直透镜的通光半径。
4.根据权利要求3所述的一种环形光束变换装置，其特征在于，所述普通透镜的光轴与环形光束的传输光路平行，所述管状反射器沿其周向分为若干反射器子块，与普通透镜的光轴处于同一垂直面内的反射器子块反射后的环形光束的延长线交点位于普通透镜的光轴上。
5.根据权利要求3或4所述的一种环形光束变换装置，其特征在于，所述环形光束的外径为R1，其内径为R2，经准直透镜准直后输出的环形光束的外径为R1'，其内径为R2'，聚焦透镜的焦距为f，管状反射器的内径为R，聚焦透镜的焦点至准直透镜的距离为L，则
6.一种采用如权利要求1所述的环形光束变换装置的变换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：环形光束作为入射光束，其外径为R1，其内径为R2，入射光束经过聚焦透镜聚焦并发散传输至管状反射器，聚焦透镜的焦距为f，管状反射器的内径为R；
S2：入射光束在管状反射器的内壁上反射1次并输出形成出射光束，出射光束经准直透镜准直成平行光并输出形成输出光束，聚焦透镜的焦点至准直透镜的距离为L，所述输出光束即为变换后的环形光束，其外径为R1'，其内径为R2'；
S3：通过调节f、R和L，实现输出光束内径和外径的任意调节。
7.根据权利要求6所述的变换方法，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的变换方法，其特征在于，所述准直透镜的光轴与环形光束的传输光路重合，且准直透镜的通光半径大于出射光束的外径。
9.根据权利要求8所述的变换方法，其特征在于，所述准直透镜由位于普通透镜上的子区域绕环形光束的传输光路旋转360°形成，所述子区域为准直透镜的通光半径。
10.根据权利要求9所述的变换方法，其特征在于，所述普通透镜的光轴与环形光束的传输光路平行，所述管状反射器沿其周向分为若干反射器子块，与普通透镜的光轴处于同一垂直面内的反射器子块反射后的环形光束的延长线交点位于普通透镜的光轴上。
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