CN109870823B - 一种偏振光强整形装置 - Google Patents

Abstract

一种偏振光强整形装置，包括：沿偏振光的光轴依次设置的球面旋光晶体和偏振片；球面旋光晶体沿光轴方向相对的两个面中，至少一面为球面，球面的球心位于光轴上；球面旋光晶体的厚度为预设厚度，以改变透过球面旋光晶体的偏振光偏振方向的旋转角度；偏振片按照布鲁斯特角设置，将输入其表面的光形成一束强度均匀的P偏振光和一束强度均匀的S偏振光。偏振光强整形装置中球面旋光晶体至少一面是球面，通过设置预设厚度，使得透过球面旋光晶体的偏振光，在径向光斑中心至边缘，随着光斑半径的增加，其偏振方向发生不同角度的旋转，因而通过偏振片时其反射率随光斑半径的改变而改变，从而对光强进行整形，得到两束空间分布光滑均匀的偏振光束。

Description

一种偏振光强整形装置

技术领域

本发明涉及光强整形领域，尤其是涉及一种偏振光强整形装置。

背景技术

自第一台红宝石激光器问世以来，激光由于具有高单色性以及高亮度等优点，得到了广泛的应用。但是在激光焊接、激光加工、显示、全息、光存储及医学等技术领域常常需要均匀性很好的光束。若激光的能量分布不均，会导致局部温度过高，进而破坏材料性能，从而影响激光与物质相互作用的效果。由于激光产生源于光在谐振腔中多次反射，激光器出射光必须满足一定的模式分布，最常见的横向模式服从高斯分布、超高斯分布，激光光束的光强一般并不是均匀的，所以需要对高斯等光束进行整形，以便得到均匀性好的光束，此即激光光束整形的目的。

早期人们常常利用的方法是先将激光光束扩束，然后将扩束后的光束通过光阑，光阑只允许光束中光强分布较为均匀的部分通过，从而可以得到均匀分布的光强，这种方法虽然简单，但是能量损失很严重。为得到合适的转换也可采用反高斯分布的吸收过滤器，这种过滤器是用吸收玻璃制成的平凸透镜，但这种透镜只能得到利用效率为37％的均匀光束。除此以外，还可采用非球面透镜系统实现高斯光束整形，但是该系统中非球面透镜很难加工。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种偏振光强整形装置，通过改变透过所述球面旋光晶体的偏振光偏振方向的旋转角度，使得透过球面旋光晶体的光束，在径向光斑中心至边缘内，随径向光斑半径的增加，其偏振方向发生不同角度的旋转，因而通过偏振片时，光束反射率随光斑圆心至边缘中位置的不同而改变，从而对光强进行整形，得到两束强度均匀的光。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种偏振光强整形装置，包括：沿偏振光的光轴依次设置的球面旋光晶体和偏振片；球面旋光晶体沿光轴方向相对的两个面中，至少一面为球面，球面的球心位于所述光轴上；球面旋光晶体的厚度为预设厚度，以改变透过所述球面旋光晶体的偏振光偏振方向的旋转角度；偏振片按照布鲁斯特角设置，用于反射S偏振光，透过P偏振光，将输入其表面的光形成一束强度均匀的P偏振光和一束强度均匀的S偏振光。

进一步地，球面旋光晶体靠近偏振片的一面为凹球面，另一面为平面。

进一步地，球面旋光晶体的所述两个面均为凹球面。

进一步地，球面旋光晶体靠近所述偏振片的一面为凸球面，另一面为平面。

进一步地，球面旋光晶体的所述两个面均为凸球面。

进一步地，球面旋光晶体靠近偏振片的一面为平面，另一面为凹球面。

进一步地，球面旋光晶体靠近偏振片的一面为平面，另一面为凸球面。

进一步地，两个面镀有对于偏振光波长高透过率的膜。

进一步地，球面旋光晶体的厚度与所述透过所述球面旋光晶体的光偏振方向的旋转角度成正比，通过改变所述球面旋光晶体的厚度，以调整透过所述球面旋光晶体的光束的偏振方向的旋转角度。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明实施方式提供的偏振光强整形装置，球面旋光晶体至少一面是球面，通过设置预设厚度，改变偏振光偏振方向的旋光角度，使得透过球面旋光晶体的偏振光，在径向光斑中心至边缘，随着光斑半径的增加，其偏振方向发生不同角度的旋转，因而通过偏振片时其反射率随光斑半径的改变而改变，从而对光强进行整形，得到两束空间分布光滑均匀的偏振光束。

(2)本发明实施方式提供的偏振光强整形装置中，球面旋光晶体的一面为球面，另一面为球面或者平面，该球面旋光晶体易于加工，方便使用。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的偏振光强整形装置结构示意图；

图2(a)是第一实施方式中光斑的示意图；

图2(b)是根据本发明第一实施方式中偏振光的光斑直径与光强关系示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的偏振光强整形装置结构示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的偏振光强整形装置结构示意图；

图5是根据本发明第四实施方式提供的偏振光强整形装置结构示意图。

附图标记：

1：球面旋转晶体；2：偏振片；3：激光器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是根据本发明第一实施方式的偏振光强整形装置结构示意图。

如图1所示，该偏振光强整形装置包括：沿偏振光的光轴依次设置的球面旋光晶体1和偏振片2。

球面旋光晶体1，沿光轴方向相对的两个面中，靠近偏振片2的一面为凹球面，另一面为平面，球面的球心位于光轴上。球面旋光晶体1的厚度为预设厚度，以改变透过所述球面旋光晶体的偏振光偏振方向的旋转角度。

偏振片2按照布鲁斯特角设置，用于反射S偏振光，透过P偏振光。偏振片2将输入其表面的光形成一束强度均匀的P偏振光和一束强度均匀的S偏振光。

具体地，在图1所示的例子中，一束偏振光从激光器射出至球面旋光晶体1表面，该球面旋光晶体1将偏振光的偏振方向的旋转角度改变，使得透过球面旋光晶体的光束，在径向光斑中心至边缘，随径向光斑半径的增加，该光束的偏振方向发生不同角度的旋转。例如，从激光器射出的偏振光为S偏振光，这束S偏振光经过球面旋光晶体1后，在光斑中心到光斑边缘，随径向光斑半径的增加偏振方向发生了不同角度的旋转，从而通过偏振片时，这束S偏振光反射率随光斑半径的增加而改变。

具体地，图2(a)为光斑的示意图。如图2(a)所示，O点表示为光斑中心，B点表示为光斑边缘，A点是位于O点和B点中间的某一点，一束S偏振光，经过球面旋光晶体1后，在光斑中心O到光斑边缘B，随径向光斑半径的增加，偏振方向发生了不同角度的旋转，从而通过偏振片2时，这束S偏振光反射率随光斑半径的增加而改变。

并且，S偏振光透过球面旋光晶体1后偏振方向的旋转角度发生的变化，与球面旋光晶体1的厚度成正比。也就是，平凹的球面旋光晶体1径向方向的厚度随半径增加而增加(也就是中间薄，两边厚)，即偏振光的偏振方向随径向光斑半径的增加的旋转角度越大，也就是说，经过偏振片2后，随径向光斑半径的增加反射的S偏振光越少，透射的P偏振光越多。也就是，偏振光偏振方向的旋转角度变化：O点<A点<B点；S偏振光反射率：O点>A点>B点；P偏振光透射率：O点<A点<B点。进而可以通过设置不同厚度的球面旋光晶体1，来改变偏振光的光强。进一步地，球面旋光晶体1，沿光轴方向相对的两个面镀有对于偏振光波长高透过率的膜。振荡激光波长为1064nm，那么高透过率的膜就是将波长为1064nm的激光透射，一般透射率能够达到99.9％以上。

本发明实施方式提供的偏振光强整形装置，球面旋光晶体至少一面是球面，通过设置预设厚度，改变偏振光偏振方向的旋转角度，使得透过球面旋光晶体的光束，在径向光斑中心至边缘，随径向光斑半径的增加其偏振方向发生不同角度的旋转，因而通过偏振片时其反射率随光斑半径的增加而改变，从而对光强进行整形，得到两束空间分布光滑均匀的偏振光束。

图2(b)是根据本发明第一实施方式中偏振光的光斑直径与光强关系示意图。

如图2(b)所示，横坐标表示为透过球面旋光晶体后入射到偏振片的光束的光斑直径的大小，在图2中，r为光斑半径，ω_m为经球面旋光晶体1后到偏振片2上的光斑尺寸，为了方便观看，进行了归一化处理，即，将光斑半径r除以ω_m，其比值可以代表光束的直径，将横坐标中0表示为光斑的圆心，1和-1之间的距离表示为光斑的直径。在纵坐标中，R(r)表示为光束透过球面旋光晶体1后在偏振片2上的反射率，R_max为光束中反射率最高值，纵坐标也进行了归一化处理，即将光束的反射率R(r)除以R_max。在图2中，可以看出，在经过球面旋光晶体时，中心区域的光束反射的光较多，远离光束中心区域，反射的光束较少。使得偏振光强度大的区域(光束中心)反射的较多，强度小的区域(光束边缘)反射的较少，使得透过的P偏振光较为均匀。同理，反射出去的S偏振光也比较均匀。

在图1所示的例子中，激光器3输出的是S偏振光，由于球面旋光晶体1的结构是一面是凹球面，另一面为平面，使得该球面旋光晶体1中心的厚度小，边缘的厚度大。所以，偏振光的中心在经过球面旋光晶体的中心时，偏振方向旋转的角度小，透过率小(反射率高)。偏振光的边缘在经过球面旋光晶体的边缘时，受到厚度影响，旋转的角度大，透过率相对较高(反射率较低)。因此，球面旋光晶体1和偏振片2的配合使用，可以对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的光束。

图3是根据本发明第二实施方式的偏振光强整形装置结构示意图。

如图3所示，该偏振光强整形装置中，球面旋光晶体1为双凹球面。在第二实施方式中，激光器3输出的偏振光为P偏振光束。该P偏振光沿光轴方向经过球面旋光晶体1，由于球面旋光晶体1的结构双凹球面，使得该球面旋光晶体1中心的厚度小，边缘的厚度大。激光器3输出的P偏振光经过旋光晶体1时，中心光束在经过球面旋光晶体的中心时，偏振方向旋转的角度小，反射率小(透过率高)。光束的边缘在经过球面旋光晶体的边缘时，受到厚度影响，旋转的角度大，反射率相对较高(透过率较低)。

图4是根据本发明第三实施方式的偏振光强整形装置结构示意图。

如图4所示,球面旋光晶体1靠近激光器3的方向为平面，靠近偏振片2的面为凸球面。该球面旋光晶体1为中间厚，两边薄。

激光器3输出的s偏振光，沿光轴方向经过球面旋光晶体1。受到球面旋光晶体1厚度的影响，透过球面旋光晶体1的s偏振光，在径向光斑中心至边缘，随光斑半径的增加其偏振方向发生不同角度旋转，从而通过偏振片时其反射率随光斑半径的增加而增加。也就是，激光器3输出的s偏振光经过旋光晶体1时，光斑中心偏振光偏振方向旋转的角度大，使得经过偏振片2时，透过率大，反射率较低；随光斑半径的增加，光斑边缘的偏振光偏振方向旋转的角度越小，使得经过偏振片2时，透过率小，反射率较高，从而可以对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的光束。

图5是根据本发明第四实施方式提供的偏振光强整形装置结构示意图。

如图5所示，该球面旋光晶体1的两个面均为凸球面。该球面旋光晶体1的两面镀有对于波长为532nm的高反膜。该球面旋光晶体1的中心厚，边缘薄。

经激光器3输出的P偏振光，沿光轴方向经过球面旋光晶体1，受到球面旋光晶体的厚度影响，使得透过球面旋光晶体1的光，在径向光斑中心至边缘，随光斑半径的增加其偏振方向发生不同角度旋转，从而通过偏振片2时其反射率随光斑半径的增加而降低。激光器3输出的P偏振光经过球面旋光晶体1时中心的偏振光偏振方向旋转的角度大，使得经过偏振片2时反射率大，透过率较低；随光斑半径的增加，光斑边缘的偏振光偏振方向旋转的角度减小，反射率小，使得经过偏振片2时，透过率较高，从而可以对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的光束。

(1)本发明实施方式提供的偏振光强整形装置，球面旋光晶体至少一面是球面，通过设置预设厚度，改变偏振光偏振方向的旋光角度，使得透过球面旋光晶体的光束，在径向光斑中心至边缘，随径向光斑半径的增加其偏振方向发生不同角度的旋转，因而通过偏振片时其反射率随光斑半径的增加而改变，从而对光强进行整形，得到两束空间分布光滑均匀的偏振光束。

(2)本发明实施方式提供的偏振光强整形装置中，球面旋光晶体的一面为球面，另一面为球面或者平面，该球面旋光晶体易于加工，方便使用。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种偏振光强整形装置，其特征在于，包括：沿偏振光的光轴依次设置的球面旋光晶体(1)和偏振片(2)；

所述球面旋光晶体(1)沿光轴方向相对的两个面中，至少一面为球面，所述球面的球心位于所述光轴上；所述球面旋光晶体(1)的厚度为预设厚度，以改变透过所述球面旋光晶体的偏振光偏振方向的旋转角度；

所述偏振片(2)按照布鲁斯特角设置，用于反射S偏振光，透过P偏振光，将输入其表面的光束形成一束强度均匀的P偏振光和一束强度均匀的S偏振光。

2.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)靠近所述偏振片(2)的一面为凹球面，另一面为平面。

3.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)的所述两个面均为凹球面。

4.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)靠近所述偏振片(2)的一面为凸球面，另一面为平面。

5.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)的所述两个面均为凸球面。

6.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)靠近所述偏振片(2)的一面为平面，另一面为凹球面。

7.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)靠近所述偏振片(2)的一面为平面，另一面为凸球面。

8.根据权利要求1-5任一项所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述两个面镀有对于所述偏振光波长高透过率的膜。

9.根据权利要求1所述的偏振光强整形装置，其特征在于，所述球面旋光晶体(1)的厚度与所述透过所述球面旋光晶体的光偏振方向的旋转角度成正比，通过改变所述球面旋光晶体(1)的厚度，以调整透过所述球面旋光晶体(1)的光的偏振方向的旋转角度。

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