CN113189804A - 一种用于匀光的自适应光束整形装置 - Google Patents

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范薇
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杜彤耀
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Abstract

一种用于匀光的自适应光束整形装置，该装置的构成包括半波片、起偏器、光敏响应器、检偏器。主要是入射光照射光敏响应器的光导层后，由于光导层电阻随照射的光敏光光强增大而减小，并且与液晶材料呈串联结构、两者总电压保持不变，液晶材料呈现与入射光强度分布对应的折射率变化，从而使入射光的偏振态分布也呈现相应的变化。当通过检偏器后，出射光的强度分布便呈现均匀分布。本发明具有使用简单、无需编程控制等优点。

Description

一种用于匀光的自适应光束整形装置
技术领域
本发明涉及激光光束强度分布调控，特别是一种用于匀光的自适应光束整形装置，其优点是使用简单、无需编程控制。
背景技术
光束整形技术已在激光加工、空间光通信、激光聚变等领域得到广泛应用，光束整形单元，作为一种光场调控器件，已成为相关激光系统的核心元件。从技术手段方面，目前主要分为被动型和主动型两大类。
被动型光束整形技术的特点是，光束整形元件设计制备完成后，该元件的光学调制量不可更改，目前主要有软边光阑、二元面板、微透镜阵列、CPP相位板、DPP相位板等。主动型光束整形技术的特点是，整形元件的光学调制量可以根据需求进行实时调整，通常具备可编程控制的功能，目前主要有液晶空间光调制器、变形镜、数字微镜器件、MEMS器件等。
所以主动型技术与被动型相比，在实时性、灵活性方面具有一定的优势，但是也存在以下问题：(1)由于主动型元件光学调制量的调整，需要通过接收外部信号实现，因此该类型元件通常需要与外部控制器相连接，目前主要通过PC机连接，增加了系统复杂度；(2)当需要实现预设的光束强度分布，比如均匀分布时，需要对主动型元件的透过率分布进行编程控制，通过设计与光学系统相对应的反馈控制算法，实现激光光强分布的均匀化输出，因此该实现过程相对复杂。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有光束整形技术系统复杂、控制过程复杂的问题，提供一种用于匀光的自适应光束整形装置，该装置与现有的光束整形技术相比，具有使用简单、无需编程控制等优点，可用于激光加工、空间光通信、激光聚变等领域。
本发明的主要思想：
一种用于匀光的自适应光束整形装置，主要是通过选择对入射光波长具有光电导响应的光敏材料，并使光敏材料与液晶材料组成光敏响应器，由于光敏材料的电阻随入射光光强增大而减小，并且与液晶材料呈串联结构、两者总电压保持不变，因此液晶材料层呈现与入射光强度分布完全对应的电压分布。当通过后续的检偏器以后，该装置的透过率呈现与入射光强分布完全对应的分布，且强区的透过率低、弱区的透过率强，因此最终可使出射光均匀分布。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于匀光的自适应光束整形装置，特征在于该装置包括半波片、起偏器、光敏响应器和检偏器，所述的光敏响应器的结构沿入射光入射方向依次是第一基板、第一透明导电膜、光敏材料、液晶材料、第二透明导电膜和第二基板，所述的第一透明导电膜和第二透明导电膜之间连接一台交流电源，所述的光敏材料的电导率随入射光光强的增大而增大，所述的液晶材料的折射率随入射光光强的变化而变化。
所述的光敏材料的厚度为10um-500um。
所述的液晶材料的厚度为10um-100um。
所述的交流电源的电压大小有效值可调范围为5V-50V，驱动频率可调范围为10Hz-1000Hz。
与现有的光束整形元件相比，本发明的显著优点在于：
不仅具有主动性，能适应不同光强分布的入射光，而且无需连接外部控制器，具有使用简单、无需编程控制的特点。
附图说明
图1是本发明一种用于匀光的自适应光束整形装置的结构示意图。
图2是本发明所述的光敏响应器(3)的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明用于匀光的自适应光束整形装置的结构示意图，由图可见，本发明用于匀光的自适应光束整形装置，包括半波片1、起偏器2、光敏响应器3和检偏器4，所述的光敏响应器3的结构沿入射光的入射方向依次是第一基板3a、第一透明导电膜3b、光敏材料3c、液晶材料3d、第二透明导电膜3e和第二基板3f，所述的第一透明导电膜3b和第二透明导电膜3e之间连接一台交流电源3g。所述的半波片1可以是石英半波片、聚合物半波片或液晶半波片。
所述的起偏器2可以是PBS立方体或吸收式偏振片。
所述的光敏响应器3的第一透明导电膜3b，可以是ITO导电膜或GaN导电膜。
所述的光敏响应器3的光敏材料3c满足：
①电导率随入射光光强增大；
②厚度为10um-500um。
所述的光敏响应器3的光致折变材料3d满足：
①折射率随加载电压变化而变化；
②厚度为10um-100um。
所述的光敏响应器3的第二透明导电膜3e，可以是ITO导电膜或GaN导电膜。
所述的光敏响应器3的交流电源3g的电压大小有效值可调范围为5V-50V，驱动频率可调范围为10Hz-1000Hz。
本发明一种用于匀光的自适应光束整形装置的使用方法：
利用CCD测试透过该装置后的激光光束强度分布，并按以下步骤调节交流电压3g的电压大小与频率：
①驱动频率固定为1000Hz，电压大小从5V开始逐渐增大至50V,并同时记录CCD上测到的激光光束强度分布，若中间出现光束强度均匀分布的状态，则记录此时的电压大小为V1，并使交流电源3g工作在(1000Hz，V1)状态；若中间未出现光束强度均匀分布的状态，进入步骤②。
②驱动频率固定为500Hz，电压大小从5V开始逐渐增大至50V,并同时记录CCD上测到的激光光束强度分布，若中间出现光束强度均匀分布的状态，则记录此时的电压大小为V2，并使交流电源3g工作在(500Hz，V2)状态；若中间未出现光束强度均匀分布的状态，进入步骤③。
③驱动频率固定为200Hz，电压大小从5V开始逐渐增大至50V,并同时记录CCD上测到的激光光束强度分布，若中间出现光束强度均匀分布的状态，则记录此时的电压大小为V3，并使交流电源3g工作在(200Hz，V3)状态；若中间未出现光束强度均匀分布的状态，进入步骤④。
④驱动频率固定为100Hz，电压大小从5V开始逐渐增大至50V,并同时记录CCD上测到的激光光束强度分布,当电压大小调节为V4时，CCD测到的激光光束强度呈均匀分布，使交流电源3g工作在(100Hz，V4)状态。
实施例1
入射光波长为460nm，结构图见图1，半波片1为460nm波段的石英半波片，起偏器2为460nm波段的PBS立方体，光敏响应器3的第一基板3a为20mm×20mm×3mm的K9玻璃，第一透明导电膜3b为ITO导电膜，光敏材料3c为20mm×20mm×0.5mm的硅酸铋(BSO)膜层或晶体，液晶材料3d为厚度10微米的平行、向列型液晶材料，第二透明导电膜3e为ITO导电膜，第二基板3f为20mm×20mm×3mm的K9玻璃。
实施例2
入射光波长为1550nm，结构图见图1，半波片1为1550nm波段的聚合物半波片，起偏器2为1550nm波段的PBS立方体，
光敏响应器3的第一基板3a为20mm×20mm×3mm的蓝宝石，第一透明导电膜3b为GaN导电膜，光敏材料3c为20mm×20mm×50um的硫化铅(PbS)膜层，液晶材料3d为厚度5微米的90度扭曲向列液晶材料，第二透明导电膜3e为ITO导电膜，第二基板3f为20mm×20mm×3mm的K9玻璃。
实施例3
实施例3与实施例2的不同点是光敏材料3c为20mm×20mm×10um的碲化铅(PbTe)膜层。

Claims (4)

1.一种用于匀光的自适应光束整形装置，特征在于该装置包括半波片(1)、起偏器(2)、光敏响应器(3)和检偏器(4)，所述的光敏响应器(3)的结构沿入射光的入射方向依次是第一基板(3a)、第一透明导电膜(3b)、光敏材料(3c)、液晶材料(3d)、第二透明导电膜(3e)和第二基板(3f)，所述的第一透明导电膜(3b)和第二透明导电膜(3e)之间连接一台交流电源(3g)，所述的光敏材料(3c)的电导率随入射光光强的增大而增大，所述的液晶材料(3d)的折射率随入射光光强的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的自适应光束整形装置，其特征在于所述的光敏材料(3c)的厚度为10um-500um。
3.根据权利要求1所述的自适应光束整形装置，其特征在于所述的液晶材料(3d)的厚度为10um-100um。
4.根据权利要求1所述的自适应光束整形装置，其特征在于所述的交流电源(3g)的电压大小有效值范围为5-50V，驱动频率范围为10-1000Hz。
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