CN111399238B - 一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，包括从左至右依次设置的入射激光安装装置、激光入口组件、壳体以及激光出口组件；激光入口组件或激光出口组件的外壁套设有传动装置，传动装置一侧配合安装有动力装置；激光入口组件、壳体和激光出口组件同时在传动装置的驱动作用下围绕旋转轴自转；入射激光安装装置用于限定或驱动入射激光相对于旋转轴保持固定或公转；壳体围绕旋转轴自转和/或入射激光围绕旋转轴公转。本发明结合壳体的自转和入射激光的公转实现入射的局部不均匀高能激光束在较短距离内的匀化，有效消除高能激光中局部能量分布较高的斑点且整体能量损失较小，降低高能激光在近场实验时对于仪器设备的损坏。

Description

一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置

技术领域

本发明涉及高能激光束近场强度匀化的技术领域，具体是一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置。

背景技术

当前高能化学激光器及光纤激光器由于非线性等原因产生的高能激光束存在光束分布不均匀、局部光束能量较高的情况；局部光束能量较高会造成光学元件的局部损伤，光束质量的劣化，对近场激光效应实验造成不良影响。

传统实现激光匀化的方式主要有以下几种：1、添加毛玻璃或随机相位屏；2、周期性排布微透镜阵列；3、二元台阶式的衍射匀化结构。但是这些方式都存在各自的缺点，添加毛玻璃或随机相位屏虽然结构较为简单，但是会产生较明显的光强损耗；微透镜阵列由于其结构周期性会产生强烈干涉增强和减弱区域；二元台阶式衍射匀化结构的零级衍射能级很难消除；采用后两种方式的匀化装置较为复杂，不易应用于高能激光匀化。

同时以上的几种方式均为透射式匀化，无法承受高能激光的辐照，故需要设计一种能够在较短的距离实现高能激光束匀化且较易实现的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，使得入射的局部不均匀高能激光束经过该匀化装置的匀化后转变成较为均匀的光斑，且激光的整体能量损失较小。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，包括从左至右依次设置的入射激光安装装置、激光入口组件、壳体以及激光出口组件；其中，

所述激光入口组件或激光出口组件的外壁套设有传动装置，所述传动装置一侧配合安装有用于提供转动机械能的动力装置；激光入口组件、壳体和激光出口组件同时在所述传动装置的驱动作用下围绕旋转轴自转；

所述壳体内部为空腔结构，所述空腔结构内安装有多个平面反射镜，多个所述平面反射镜用于将入射激光等轴线地反射到所述激光出口组件并形成出射激光；

所述入射激光安装装置用于限定或驱动所述入射激光相对于所述旋转轴保持固定或公转；所述壳体围绕所述旋转轴自转和/或所述入射激光围绕所述旋转轴公转。

进一步的，所述匀化装置还包括套设在所述激光入口组件和激光出口组件的外壁用于限位的固定装置。

进一步的，所述固定装置为轴承，所述轴承的内壁固定在所述激光入口组件和激光出口组件的外壁上，所述轴承的外壁套设在支架上并通过所述支架固定所述激光入口组件和激光出口组件的空间位置。

进一步的，多个平面反射镜包括至少5个且数量为奇数的反射镜；

5个所述反射镜设为第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜，所有反射镜均处于同一光学平面内；

所述壳体的惯量主轴即为所述旋转轴，所述旋转轴与所述激光入口组件和激光出口组件的中心轴重合；

所述壳体在自转过程中，第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜与第一反射镜、第五反射镜的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴旋转。

进一步的，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜的表面均镀有对入射激光高反射性的薄膜层。

进一步的，所述入射激光安装装置包括从外至内依次设置的入射激光固定装置、入射激光外框架、入射激光固定杆以及入射激光内框架，还包括安装在所述入射激光外框架外侧并与所述入射激光外框架动力连接的入射激光动力装置、安装在所述入射激光内框架内环的入射激光准直器；

所述入射激光外框架在所述入射激光固定装置的限位作用和入射激光动力装置的驱动作用下围绕自身中心轴旋转；所述入射激光内框架的圆心与所述入射激光外框架的中心重合或偏离。

进一步的，所述入射激光固定杆的长度可调，用于调整所述入射激光内框架偏离所述入射激光外框架中心的距离。

在一个实施例中，所述传动装置为皮带、皮带轮组件。

在另一个实施例中，所述传动装置为齿轮组件。

进一步的，所述激光入口组件和激光出口组件均为圆形管道，且均与所述壳体固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

本发明提供的基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置通过动力装置配合传动装置提供动力，使得激光入口组件、壳体和激光出口组件作为整体能够同时围绕旋转轴自转；通过入射激光安装装置驱动入射激光相对于旋转轴公转；结合壳体的自转和入射激光的公转能够有效实现入射的局部不均匀高能激光束在较短距离内的匀化，有效消除高能激光中局部能量分布较高的斑点且激光的整体能量损失较小，进一步降低高能激光在近场实验时对于仪器设备的损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明所述基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置的整体示意图；

图2是本发明所述基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置的内部结构图；

图3是本发明所述入射激光安装装置的结构示意图；

图4是模式一中入射光斑处于激光入口组件处的位置示意图；

图5是模式二和模式三中入射光斑处于激光入口组件处的位置示意图；

图6是原始光斑的能量分布图(单位：W/cm²)；

图7是模式一中匀化后光斑的能量分布图(单位：W/cm²)；

图8是模式二中匀化后光斑的能量分布图(单位：W/cm²)；

图9是模式三中匀化后光斑的能量分布图(单位：W/cm²)；

1、入射激光；2、激光入口组件；3、壳体；4、激光出口组件；5、出射激光；6、旋转轴；7、固定装置；8、动力装置；9、传动装置；10、入射激光安装装置；11、旋转方向；12、入射光斑；13、入射光斑中心公转轨迹；3-1、第一反射镜；3-2、第二反射镜；3-3、第三反射镜；3-4、第四反射镜；3-5、第五反射镜；10-1、入射激光固定装置；10-2、入射激光外框架；10-3、入射激光固定杆；10-4、入射激光内框架；10-5、入射激光动力装置；10-6、入射激光准直器；10-7、入射激光传输光纤；10-8、入射激光公转方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1所示的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，主要包括激光入口组件2、壳体3、激光出口组件4、固定装置7、动力装置8、传动装置9以及入射激光安装装置10。其中，入射激光安装装置10、激光入口组件2、壳体3和激光出口组件4从左至右依次设置，传动装置9套设在所述激光入口组件2或激光出口组件4的外壁，动力装置8配合安装在所述传动装置9一侧、位于激光入口组件2或激光出口组件4外壁附近，独立于所述壳体3安装设置，在连通电源后能够源源不断地提供转动机械能；固定装置7套设在所述激光入口组件2和激光出口组件4的外壁用于限定激光入口组件2和激光出口组件4的位置，通过动力装置8和传动装置9提供动力，使得激光入口组件2、壳体3和激光出口组件4作为整体同时围绕旋转轴6自转。

在本实施例中，所述动力装置8为伺服电动机，能够驱动所述激光入口组件2、壳体3和激光出口组件4整体同时围绕旋转轴6自转，且没有沿轴线方向的运动，以提高匀化效果。

在本实施例中，所述激光入口组件2和激光出口组件4均为具有一定强度和刚度的圆形管道，且均与所述壳体3固定连接，其中激光入口组件2固定于壳体3的入射端，激光出口组件4固定于壳体3的出射端，激光入口组件2、激光出口组件4和壳体3的几何中心重合。

更具体的，所述壳体3内部为空腔结构，所述空腔结构内安装有多个平面反射镜，多个所述平面反射镜用于将入射激光1等轴线地反射到所述激光出口组件4并形成出射激光5；所述入射激光安装装置10用于限定或驱动所述入射激光1相对于所述旋转轴6保持固定或公转；所述壳体3围绕所述旋转轴6自转和/或所述入射激光1围绕所述旋转轴6公转，即存在三种模式：1、壳体3围绕所述旋转轴6自转，入射激光1不公转；2、壳体3不自转，入射激光1围绕所述旋转轴6公转；3、壳体3围绕所述旋转轴6自转且入射激光1围绕所述旋转轴6公转；三种模式均能得到匀化后的出射激光5，但是匀化效果存在差异。

在其中一个实施例中，如图2所示，所述平面反射镜的数量为5个，分别设为第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3-4以及第五反射镜3-5，所有反射镜均处于同一光学平面内；所述壳体3的惯量主轴即为所述旋转轴6，所述旋转轴6与所述激光入口组件2和激光出口组件4的中心轴重合；所述壳体3在自转过程中，第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3-4与第一反射镜3-1、第五反射镜3-5的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴6旋转。

作为优选，所述第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3-4以及第五反射镜3-5的表面均镀有对入射激光1高反射性的薄膜层，使得入射激光1可以在较少损耗的情况下进行传递。壳体3和第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、第四反射镜3-4以及第五反射镜3-5的布局使得壳体3的惯量主轴为穿过激光入口组件2和激光出口组件4中心的旋转轴6，使得壳体3能够围绕旋转轴6容易转动。

在其中一个实施例中，如图2至图3所示，所述入射激光安装装置10用于限定或驱动所述入射激光1相对于所述旋转轴6保持固定或公转，包括从外至内依次设置的入射激光固定装置10-1、入射激光外框架10-2、入射激光固定杆10-3以及入射激光内框架10-4，还包括安装在所述入射激光外框架10-2外侧并与所述入射激光外框架10-2动力连接的入射激光动力装置10-5、安装在所述入射激光内框架10-4内环的入射激光准直器10-6；所述入射激光外框架10-2在所述入射激光固定装置10-1的限位作用和入射激光动力装置10-5的驱动作用下围绕自身中心轴旋转，由入射激光动力装置10-5源源不断地提供转动的机械能，并通过齿轮啮合将转动的机械能传递给入射激光外框架10-2，使得入射激光外框架10-2恒定的角速度以逆时针或顺时针的旋转方向11进行转动；所述入射激光内框架10-4的圆心与所述入射激光外框架10-2的中心重合或偏离。

作为优选，所述入射激光固定杆10-3的长度可调，不同长度可以调整所述入射激光内框架10-4偏离所述入射激光外框架10-2中心的距离，以适应不同的匀化需求，提高适用范围。当入射激光内框架10-4偏离所述入射激光外框架10-2中心的距离小于入射光斑12的半径时，出射激光5为匀化后的实心光斑；当入射激光内框架10-4偏离所述入射激光外框架10-2中心的距离大于入射光斑12的半径时，出射激光5为匀化后的空心光斑。

作为优选，所述入射激光内框架10-4为轴承结构，入射激光准直器10-6安装在所述入射激光内框架10-4的内环中，这样的安装方式能够使得入射激光准直器10-6在入射激光外框架10-2转动过程中不会发生围绕其中心的自转，达到保护入射激光准直器10-6及入射激光传输光纤10-7的目的。

在其中一个实施例中，所述传动装置9为皮带、皮带轮组件，其中一个皮带轮套接在动力装置8上，另一个皮带轮套接在激光入口组件2或激光出口组件4的外壁，皮带套接在两个皮带轮上实现动力传输。

在另一个实施例中，所述传动装置9为齿轮组件，其中一个齿轮套接在动力装置8上，另一个齿轮套接在激光入口组件2或激光出口组件4的外壁，两个齿轮相互啮合实现动力传输。

在其中一个实施例中，所述固定装置7为轴承，所述轴承的内壁固定在所述激光入口组件2和激光出口组件4的外壁上，所述轴承的外壁套设在支架上并通过所述支架固定所述激光入口组件2和激光出口组件4的空间位置，进而使得本实施例的壳体3围绕旋转轴6自转。

本实施例所述的匀化装置共有三种匀化激光的模式，如下对各个模式的具体使用过程分别介绍：

模式一：将入射激光1固定在激光入口组件2的中心位置，实验过程中激光固定装置10不发生运动，本实施例中的壳体3单纯以恒定的角速度旋转，在激光出口组件4处得到匀化后的出射激光5，该模式下入射激光1在激光入口2的位置如图4所示。

模式一的具体实施过程是：首先通过固定装置7将本实施例固定好，将入射激光准直器10-6安装到入射激光固定内框架10-4中，使用入射激光固定装置10-1将入射激光外框架10-2固定好，使得入射激光准直器10-6的中心与激光入口组件2的圆心重合。打开动力装置8，通过传动装置9将机械能传递到壳体3，使得壳体3以恒定的角速度自转。打开入射激光传输光纤10-7，就可以在激光出口组件4处得到匀化后的出射激光5。

模式二：入射激光准直器10-6固定在入射激光内框架10-4中，将入射激光外框架10-2位置固定，使得入射激光外框架10-2的圆心与激光入口组件2的圆心重合，保持壳体3在整个过程中不发生转动，入射激光外框架10-2以恒定的角速度旋转，在激光出口组件4处得到匀化的出射激光5。该模式入射光斑12在激光入口组件2的位置如图5所示，入射光斑中心公转轨迹13环绕所述激光入口组件2的中心点，其中ω₁＝0和ω₂≠0。

模式二的具体实施过程是：首先通过固定装置7将本实施例固定好，将入射激光准直器10-6安装到入射激光固定内框架10-4中，使用入射激光固定装置10-1将入射激光外框架10-2固定好，使得入射激光外框架10-2的中心与激光入口组件2的圆心重合。设置入射激光固定杆10-3特定长度使得入射激光内框架10-4偏离入射激光外框架10-2中心特定距离，打开入射激光动力装置10-5将机械能传递到入射激光外框架10-2，使得入射激光外框架以固定的角速度旋转。打开入射激光传输光纤10-7，就可以在激光出口组件4处得到匀化后的出射激光5。

模式三：入射激光准直器10-6固定在入射激光内框架10-4中，将入射激光外框架10-2位置固定，使得入射激光外框架10-2的圆心与激光入口组件2的圆心重合，入射激光外框架10-2以恒定的角速度旋转，同时壳体3也以恒定的角速度自转，在激光出口组件4得到匀化的出射激光5。该模式入射光斑12在激光入口组件2的位置如图5所示，入射光斑中心公转轨迹13环绕所述激光入口组件2的中心点，其中ω₁≠0和ω₂≠0。

模式三的具体实施过程是：首先通过固定装置7将本实施例固定好，将入射激光准直器10-6安装到入射激光固定内框架10-4中，使用入射激光固定装置10-1将入射激光外框架10-2固定好，使得入射激光外框架10-2的中心与激光入口2的圆心重合。设置入射激光固定杆10-3特定长度使得入射激光内框架10-4偏离入射激光外框架10-2中心特定距离，打开入射激光动力装置10-5将机械能传递到入射激光外框架10-2，使得入射激光外框架10-2以恒定的角速度旋转。打开动力装置8，通过传动装置9将机械能传递到壳体3，使得壳体3以恒定的角速度自转。打开入射激光传输光纤10-7，就可以在激光出口组件4处得到匀化后的出射激光5。

如下将通过具体的例子对三个模式的匀化效果进行分析：

原始光斑如图6所示，在光斑的大部分区域的能量密度为100W/cm²，在三个位置存在能量分布较高的斑点，如点1(x＝0,y＝0,光斑直径4mm),点2(x＝4.9,y＝4.9,光斑直径2mm)，点3(x＝-5.6,y＝5.7,光斑直径1mm)处的能量密度高达150W/cm²。

定义激光的匀化程度为F＝I_avg/I_max,其中I_avg为光斑强度分布的均匀值，I_max为光斑强度分布的最大值。分别使用表格1的参数对激光匀化装置的匀化效果进行分析，其中模式1的匀化结果如图7所示，模式2的匀化结果如图8所示，模式3的匀化结果如图9所示。可以观察到，模式1可以较好匀化不在入射激光中心的斑点，但是对于入射激光中心的斑点无法较好匀化，而模式2和模式3可以匀化不论是中心还是非中心的能量较大斑点，且模式3的匀化效果要好于模式2。该仿真结果能够说明该激光匀化装置能够匀化高能激光中的能量较高点。

表1激光匀化器不同仿真工况

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，包括从左至右依次设置的入射激光安装装置(10)、激光入口组件(2)、壳体(3)以及激光出口组件(4)；其中，

所述激光入口组件(2)或激光出口组件(4)的外壁套设有传动装置(9)，所述传动装置(9)一侧配合安装有用于提供转动机械能的动力装置(8)；激光入口组件(2)、壳体(3)和激光出口组件(4)同时在所述传动装置(9)的驱动作用下围绕旋转轴(6)自转；

所述壳体(3)内部为空腔结构，所述空腔结构内安装有多个平面反射镜，多个所述平面反射镜用于将入射激光(1)等轴线地反射到所述激光出口组件(4)并形成出射激光(5)；

所述入射激光安装装置(10)用于限定或驱动所述入射激光(1)相对于所述旋转轴(6)保持固定或公转；所述壳体(3)围绕所述旋转轴(6)自转和/或所述入射激光(1)围绕所述旋转轴(6)公转。

2.根据权利要求1所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，还包括套设在所述激光入口组件(2)和激光出口组件(4)的外壁用于限位的固定装置(7)。

3.根据权利要求2所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述固定装置(7)为轴承，所述轴承的内壁固定在所述激光入口组件(2)和激光出口组件(4)的外壁上，所述轴承的外壁套设在支架上并通过所述支架固定所述激光入口组件(2)和激光出口组件(4)的空间位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，多个平面反射镜包括至少5个且数量为奇数的反射镜；

5个所述反射镜设为第一反射镜(3-1)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)、第四反射镜(3-4)以及第五反射镜(3-5)，所有反射镜均处于同一光学平面内；

所述壳体(3)的惯量主轴即为所述旋转轴(6)，所述旋转轴(6)与所述激光入口组件(2)和激光出口组件(4)的中心轴重合；

所述壳体(3)在自转过程中，第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)、第四反射镜(3-4)与第一反射镜(3-1)、第五反射镜(3-5)的相对位置保持固定，且均围绕所述旋转轴(6)旋转。

5.根据权利要求4所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述第一反射镜(3-1)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)、第四反射镜(3-4)以及第五反射镜(3-5)的表面均镀有对入射激光(1)高反射性的薄膜层。

6.根据权利要求1所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述入射激光安装装置(10)包括从外至内依次设置的入射激光固定装置(10-1)、入射激光外框架(10-2)、入射激光固定杆(10-3)以及入射激光内框架(10-4)，还包括安装在所述入射激光外框架(10-2)外侧并与所述入射激光外框架(10-2)动力连接的入射激光动力装置(10-5)、安装在所述入射激光内框架(10-4)内环的入射激光准直器(10-6)；

所述入射激光外框架(10-2)在所述入射激光固定装置(10-1)的限位作用和入射激光动力装置(10-5)的驱动作用下围绕自身中心轴旋转；所述入射激光内框架(10-4)的圆心与所述入射激光外框架(10-2)的中心重合或偏离。

7.根据权利要求6所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述入射激光固定杆(10-3)的长度可调，用于调整所述入射激光内框架(10-4)偏离所述入射激光外框架(10-2)中心的距离。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述传动装置(9)为皮带、皮带轮组件。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述传动装置(9)为齿轮组件。

10.根据权利要求1所述的一种基于行星转的高能激光束近场强度匀化装置，其特征在于，所述激光入口组件(2)和激光出口组件(4)均为圆形管道，且均与所述壳体(3)固定连接。

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