CN112817157A - 一种新型平顶光束发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型平顶光束发生装置，属于激光传输与控制领域。本发明采用液晶空间光调制器与非球面透镜组相结合的平顶光束整形技术途径，该装置充分利用了液晶空间光调制器高分辨率、高调制精度的性质，通过闭环调制的方法可显著提高输出平顶光束的均匀度；并且，装置具有光强均匀性自动补偿功能，在激光传输链路内，由环境污染、光学元件退化、光学结构轻度失调等引起的平顶光束均匀度下降，装置可进行自动补偿、修正，装置工作环境要求更低，使用寿命更长，质量可靠性更高；另外，装置可根据需要产生调制范围内不同光强分布的激光光斑，可拓展应用于其他研究领域，应用范围更广。

Description

一种新型平顶光束发生装置
技术领域
本发明属于激光传输与控制技术领域，具体涉及一种新型平顶光束发生装置。
背景技术
平顶光束为横截面上能量均匀分布的光束，在激光材料处理及相互作用研究、光纤注入系统、光学数据及图像处理、光刻、激光材料热加工、微操纵、光学生物医学等领域已有广泛的应用。将激光器输出高斯光束整形为平顶光束一直为光场控制领域研究热点，目前常用整形技术有孔径光阑整形、微透镜阵列整形、二元光学元件整形、非球面透镜组整形等。
各种整形技术各有优劣，光阑法能量损失严重；微透镜阵列法存在激光散斑效应，适用于相干性差的光束整形；衍射光学元件衍射效率高、可实现任意波面变换，但受加工技术制约、损伤阈值低；非球面透镜组结构简单、光能损耗小、可应用于高功率激光，但高次非球面加工困难、均匀度不高、且只能工作于特定光斑半径。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种新型平顶光束发生装置，以解决现有非球面透镜组整形技术整形均匀度不高的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种新型平顶光束发生装置，所述装置包括激光发射器(1)、可变倍扩束系统(2)、非球面透镜组(3)、起偏器(4)、液晶空间光调制器(5)、检偏器(6)、分光镜(7)、光束分析仪(8)、计算机(9)和45°全反镜(10)，所述激光发射器(1)输出光束经所述45度全反镜(10)到达所述可变倍扩束系统(2)，经所述可变倍扩束系统(2)扩束，通过所述调节扩束系统(2)倍率使扩束后激光束宽直径与所述非球面透镜组(3)工作直径匹配；所述非球面透镜组(3)对入射光束进行一级整形，整形光束为平行光；出射平行光通过所述起偏器(4)、所述液晶空间光调制器(5)和所述检偏器(6)进行二次调制整形，经所述分光镜(7)分光后，一束到达所述光束分析仪(8)，一束为最终产生的光束；所述液晶空间光调制器(5)的整形控制电压通过所述光束分析仪(8)测量光强分布实时计算，所述液晶空间光调制器(5)及所述光束分析仪(8)的通信控制利用所述计算机(9)完成，实现光强均匀性闭环动态调制。
进一步地，所述分光镜(7)对输出均匀光采样，供所述光束分析仪(8)采集测量；所述45度全反镜(10)用于光路转折。
进一步地，所述起偏器(4)与所述检偏器(6)偏振方向平行，并且与所述液晶空间光调制器(5)液晶分子长轴夹角为π/4，经所述起偏器(4)的线偏振光经所述液晶空间光调制器(5)调制后偏振方向发生偏转，再经所述检偏器(6)达到调制光强的目的。
进一步地，所述液晶空间光调制器(5)与所述光束分析仪(8)形成光强分布闭环动态调节系统，实时控制输出光束均匀性，经所述分光镜(7)后的激光光束为最终产生平顶光束。
进一步地，所述激光发射器(1)包括1.06μm单模尾纤输出激光器和光纤准直镜，所述单模尾纤激光器采用PM980光纤输出，其模场直径满足MFD＝7.2μm±1μm，所述光纤准直镜焦距为15mm，经光纤准直镜后光束束宽直径变化范围为2.2mm～4.2mm。
进一步地，所述可变倍扩束系统(2)采用3组透镜来实现连续变倍，分别为变倍组、固定组和补偿组，移动变倍组，则变倍组和固定组的组合焦距及焦点位置将发生变化，再通过移动补偿组使补偿组的焦点与组合透镜的新焦点重合，出射光仍为平行光束。
进一步地，所述非球面透镜组(3)由两块平凸高次非球面镜组成，系统为开普勒型，透镜组工作口径为Φ5mm，整形后光束半高宽也为Φ5mm；入射激光经第一片非球面镜后，光强被重新分布，在第二片非球面镜位置时刚好均匀分布，第二片镜具有整形兼准直作用，使整形后出射光近似为平行光。
进一步地，非球面设计为偶次非球面，面型最高阶数为10阶，材料微CaF2。
进一步地，所述光束分析仪(8)连续测量经所述分光镜(7)采样的光斑光强分布，控制计算机(9)根据测量的光强相对分布，计算并施加液晶像素电压，实现光强动态闭环调制。
进一步地，最终产生的光束为高均匀度平顶光束。
(三)有益效果
本发明提出一种新型平顶光束发生装置，本发明采用液晶空间光调制器与非球面透镜组相结合的平顶光束整形技术途径。相比于常规整形技术，装置充分利用了液晶空间光调制器高分辨率、高调制精度的性质，通过闭环调制的方法可显著提高输出平顶光束的均匀度；并且，装置具有光强均匀性自动补偿功能，在激光传输链路内，由环境污染、光学元件退化、光学结构轻度失调等引起的平顶光束均匀度下降，装置可进行自动补偿、修正，装置工作环境要求更低，使用寿命更长，质量可靠性更高；另外，装置可根据需要产生调制范围内不同光强分布的激光光斑，可拓展应用于其他研究领域，应用范围更广。
附图说明
图1为本发明平顶光束发生装置原理示意图。
图中：1-激光发射器，2-可变倍扩束系统，3-非球面透镜组，4-起偏器，5-液晶空间光调制器，6-检偏器，7-分光镜，8-光束分析仪，9-控制计算机，10-45°全反镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明针对现有非球面透镜组整形技术整形均匀度不高的不足之处，提供一种新型平顶光束发生装置，装置工作波长为1.06μm，产生平顶光束半高宽为5mm，平顶光束均匀度优于90％。
针对上述目的，本发明公开了一种新型平顶光束发生装置，所述装置包括激光发射器(1)、可变倍扩束系统(2)、非球面透镜组(3)、起偏器(4)、液晶空间光调制器(5)、检偏器(6)、分光镜(7)、光束分析仪(8)、控制计算机(9)和45°全反镜(10)，激光发射器(1)输出光束经45度全反镜(10)到达可变倍扩束系统(2)，经可变倍扩束系统(2)扩束，通过调节扩束系统(2)倍率使扩束后激光束宽直径与非球面透镜组(3)工作直径匹配；非球面透镜组(3)对入射光束进行一级整形，整形光束近似为平行光；出射平行光通过起偏器(4)、液晶空间光调制器(5)和检偏器(6)进行二次调制整形，经分光镜(7)分光后，一束到达光束分析仪(8)，一束为最终产生的光束；液晶空间光调制器(5)的整形控制电压通过光束分析仪(8)测量光强分布实时计算；液晶空间光调制器(5)及光束分析仪(8)的通信控制利用计算机(9)完成，实现光强均匀性闭环动态调制。分光镜(7)对输出均匀光采样，供光束分析仪(8)采集测量；45度全反镜(10)用于光路转折。
其中，所述平顶光束发生装置中，起偏器(4)与检偏器(6)偏振方向平行，并且与液晶空间光调制器(5)液晶分子长轴夹角为π/4，经起偏器(4)的线偏振光经液晶空间光调制器(5)调制后偏振方向发生偏转，再经检偏器(6)达到调制光强的目的；
其中，所述平顶光束发生装置中，液晶空间光调制器(5)与光束分析仪(8)形成光强分布闭环动态调节系统，实时控制输出光束均匀性，经分光镜(7)后的激光光束为最终产生平顶光束。
参阅图1。在以下描述的实施例中，能够产生高均匀度平顶光束。
本实施例平顶光束发生装置包括：激光发射器1，可变倍扩束系统2，非球面透镜组3，起偏器4，液晶空间光调制器5，检偏器6，分光镜7，光束分析仪8，控制计算机9，45°全反镜10。
激光发射器1主要包括1.06μm单模尾纤输出激光器和光纤准直镜。单模尾纤激光器采用PM980光纤输出，其模场直径满足MFD＝7.2μm±1μm。光纤准直镜焦距为15mm，经光纤准直镜后光束束宽直径变化范围为2.2mm～4.2mm。
可变倍扩束系统2用于匹配激光发射器1输出准直光束直径与非球面透镜组3的工作口径，系统变倍比为1×～3×，可将入射光束束宽直径扩束到5mm。系统采用3组透镜来实现连续变倍，分别为变倍组、固定组和补偿组，移动变倍组，则变倍组和固定组的组合焦距及焦点位置将发生变化，再通过移动补偿组使补偿组的焦点与组合透镜的新焦点重合，出射光仍为平行光束。
非球面透镜组3由两块平凸高次非球面镜组成，系统为开普勒型，透镜组工作口径为Φ5mm，整形后光束半高宽也为Φ5mm。入射激光经第一片非球面镜后，光强被重新分布，在第二片非球面镜位置时刚好均匀分布，第二片透镜包括整形兼准直作用，使整形后出射光近似为平行光。非球面设计为偶次非球面，面型最高阶数为10阶，材料微CaF2。
起偏器4、液晶空间光调制器5和检偏器6对光强分布进行二次调制，起偏器4和检偏器6偏振方向平行，起偏方向与液晶分子的长轴夹角为π/4。液晶空间光调制器的电光调制是利用液晶分子的电光效应，通过外加电场的作用来改变液晶盒的双折射效应，在电场作用下，液晶分子发生偏转，偏振角度与所加电压满足关系
Figure BDA0002863814030000051
式中：
Vr——工作电压，伏特；
Vc——阈值电压，伏特；
V0——过载电压，伏特。
液晶分子偏转一个角度后，o光和e光的相位延迟表示为
Figure BDA0002863814030000052
式中：
δ——相位延迟量；
ne——e光折射率；
no——o光折射率；
λ——工作波长，μm。
当偏振片4和检偏器6平行时，液晶对光强调制最大深度满足
Figure BDA0002863814030000061
式中：
I——调制后光强；
I0——入射光强。
根据公式(1)～(3)，通过控制液晶像素对应电压，可实现对入射光强的调制。
光束分析仪8连续测量经分光镜7采样的光斑光强分布，控制计算机9根据测量的光强相对分布，计算并施加液晶像素电压，实现光强动态闭环调制。
本发明装置分系统参数如表1、表2和表3所示，相比现有平顶光束发生装置，具有如下有益效果。
表1平顶光束发生装置分系统参数
Figure BDA0002863814030000062
Figure BDA0002863814030000071
表2非球面透镜组第1片非球面透镜参数
Figure BDA0002863814030000072
表3非球面透镜组第2片非球面透镜参数
Figure BDA0002863814030000073
相比于常规整形技术，在优化设计非球面整形透镜组基础上，装置引入液晶空间光调制器进行二次整形，充分利用了液晶空间光调制器高分辨率、高调制精度的性质，通过闭环调制的方法显著提高了输出平顶光束的均匀度。
相比于常规整形技术，装置具有光强均匀性自动补偿功能，在激光传输链路内，由环境污染、光学元件退化、光学结构轻度失调等引起的平顶光束均匀度下降，装置可进行自动补偿、修正，装置工作环境要求更低，使用寿命更长，质量可靠性更高。
装置可根据需要产生液晶调制范围内不同光强分布的激光光斑，具有更广的应用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述装置包括激光发射器(1)、可变倍扩束系统(2)、非球面透镜组(3)、起偏器(4)、液晶空间光调制器(5)、检偏器(6)、分光镜(7)、光束分析仪(8)、计算机(9)和45°全反镜(10)，所述激光发射器(1)输出光束经所述45度全反镜(10)到达所述可变倍扩束系统(2)，经所述可变倍扩束系统(2)扩束，通过所述调节扩束系统(2)倍率使扩束后激光束宽直径与所述非球面透镜组(3)工作直径匹配；所述非球面透镜组(3)对入射光束进行一级整形，整形光束为平行光；出射平行光通过所述起偏器(4)、所述液晶空间光调制器(5)和所述检偏器(6)进行二次调制整形，经所述分光镜(7)分光后，一束到达所述光束分析仪(8)，一束为最终产生的光束；所述液晶空间光调制器(5)的整形控制电压通过所述光束分析仪(8)测量光强分布实时计算，所述液晶空间光调制器(5)及所述光束分析仪(8)的通信控制利用所述计算机(9)完成，实现光强均匀性闭环动态调制。
2.如权利要求1所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述分光镜(7)对输出均匀光采样，供所述光束分析仪(8)采集测量；所述45度全反镜(10)用于光路转折。
3.如权利要求1所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述起偏器(4)与所述检偏器(6)偏振方向平行，并且与所述液晶空间光调制器(5)液晶分子长轴夹角为π/4，经所述起偏器(4)的线偏振光经所述液晶空间光调制器(5)调制后偏振方向发生偏转，再经所述检偏器(6)达到调制光强的目的。
4.如权利要求1所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述液晶空间光调制器(5)与所述光束分析仪(8)形成光强分布闭环动态调节系统，实时控制输出光束均匀性，经所述分光镜(7)后的激光光束为最终产生平顶光束。
5.如权利要求1-4任一项所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述激光发射器(1)包括1.06μm单模尾纤输出激光器和光纤准直镜，所述单模尾纤激光器采用PM980光纤输出，其模场直径满足MFD＝7.2μm±1μm，所述光纤准直镜焦距为15mm，经光纤准直镜后光束束宽直径变化范围为2.2mm～4.2mm。
6.如权利要求1-4任一项所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述可变倍扩束系统(2)采用3组透镜来实现连续变倍，分别为变倍组、固定组和补偿组，移动变倍组，则变倍组和固定组的组合焦距及焦点位置将发生变化，再通过移动补偿组使补偿组的焦点与组合透镜的新焦点重合，出射光仍为平行光束。
7.如权利要求1-4任一项所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述非球面透镜组(3)由两块平凸高次非球面镜组成，系统为开普勒型，透镜组工作口径为Φ5mm，整形后光束半高宽也为Φ5mm；入射激光经第一片非球面镜后，光强被重新分布，在第二片非球面镜位置时刚好均匀分布，第二片镜具有整形兼准直作用，使整形后出射光近似为平行光。
8.如权利要求7所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，非球面设计为偶次非球面，面型最高阶数为10阶，材料微CaF2。
9.如权利要求1-4任一项所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，所述光束分析仪(8)连续测量经所述分光镜(7)采样的光斑光强分布，控制计算机(9)根据测量的光强相对分布，计算并施加液晶像素电压，实现光强动态闭环调制。
10.如权利要求1-4任一项所述的新型平顶光束发生装置，其特征在于，最终产生的光束为高均匀度平顶光束。
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