CN113703171A - 一种产生动态可调平顶光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种产生动态可调平顶光束的装置及方法，包括光源组件，其发出线偏振光；空间光调制器，其位于所述光源组件的一侧，所述线偏振光输入至所述空间光调制器，所述空间光调制器将所述线偏振光整形为多高斯光束输出；4F成像系统和第一透镜，所述4F成像系统和第一透镜依次设置在所述光源组件的另一侧；所述多高斯光束依次经过所述4F成像系统和第一透镜，并在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束；光强分布探测组件，其位于第一透镜的焦平面上，用于探测所述平顶光束的光强分布。其能够将线偏振光整形为多高斯光束，通过空间光调制器改变多高斯光束的一些参数实现动态调控，且将多高斯光束能够整形为平顶光束。

Description

一种产生动态可调平顶光束的装置及方法

技术领域

本发明涉及平顶光束技术领域，尤其是指一种产生动态可调平顶光束的装置及方法。

背景技术

平顶光束在横截面上能量分布是均匀的，因此在许多领域得到广泛应用，如激光材料加工、激光核聚变、雷达、光刻、光学生物医学等。

目前，平顶光束的产生方法主要分成两类，一类是将已知光束如高斯光束整形成平顶光束如非球面透镜系统、微透镜阵列、衍射光学元件等等。这类方法要么对已知光束严格，要么对光学元件严格要求。所需要的光学元件制备工艺复杂，对精度的要求特别高，灵活度不高。

另一类是直接设计产生平顶光束的激光器，如利用激光腔内的相位调节镜与谐振腔镜对腔内激光的相位延迟进行径向调制，实现耦合输出偏振片反射率的径向调制，但是该类激光器的成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种产生动态可调平顶光束的装置及方法，其能够将线偏振光整形为多高斯光束，通过空间光调制器改变多高斯光束的一些参数实现动态调控，且将多高斯光束能够整形为平顶光束。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种产生动态可调平顶光束的装置，包括光源组件，其发出线偏振光；空间光调制器，其位于所述光源组件的一侧，所述线偏振光输入至所述空间光调制器，所述空间光调制器将所述线偏振光整形为多高斯光束输出；4F成像系统和第一透镜，所述4F成像系统和第一透镜依次设置在所述光源组件的另一侧；所述多高斯光束依次经过所述4F成像系统和第一透镜，并在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束；光强分布探测组件，其位于所述第一透镜的焦平面上，所述光强分布探测组件用于探测所述平顶光束的光强分布。

作为优选的，所述光源组件包括氦氖激光器和光学扩束镜；所述光学扩束镜位于所述氦氖激光器下方，所述氦氖激光器发出的线偏振光束输入至所述光学扩束镜，所述光学扩束镜将所述线偏振光束扩宽并调整为平面波输出。

作为优选的，所述光源组件还包括偏振片和半波片，所述偏振片位于所述光学扩束镜的下方，所述平面波经过所述偏振片，所述偏振片滤除所述平面波中的非线偏振部分并输出线偏振光；所述半波片设置在所述偏振片的下方并对所述线偏振光进行旋转；所述偏振片和半波片相互配合以消除背景光对实验产生的影响。

作为优选的，所述半波片的下方设置有分束镜；所述分束镜对所述线偏振光一分为二，将所述线偏振光分为反射光部分和透射光部分；所述反射光部分被输入至所述空间光调制器。

作为优选的，所述4F成像系统包括依次设置的第二透镜和第三透镜，所述第二透镜的焦距和第三透镜的焦距相等。

作为优选的，所述第二透镜的焦距和第三透镜的焦距均为150mm。

作为优选的，所述4F成像系统还包括光阑，所述光阑设置在所述第二透镜和第三透镜之间。

作为优选的，所述光强分布探测组件包括CCD电荷耦合器件，CCD电荷耦合器件位于所述第一透镜的焦平面上以拍摄所述平顶光束的光强分布。

一种产生动态可调平顶光束的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取线偏振光；S2、利用复屏法，使用空间光调制器对所述线偏振光进行整形，将所述线偏振光整形为多高斯光束输出；S3、将输出的所述多高斯光束依次经过4F成像系统和第一透镜，最终在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束。

作为优选的，所述S2中，利用“复屏法将所述线偏振光整形为多高斯光束输出”，具体包括：

建立交叉谱密度函数模型：

其中，

表示源平面上多高斯光束的坐标，M表示多高斯光束的阶数，σ₀表示束腰，δ_x表示x方向上的相干宽度，δ_y表示y方向上的相干宽度,

为归一化系数；

根据所述交叉谱密度函数模型获取多高斯光束的H函数和p函数：

H(ρ，v)＝exp(-σρ²)exp[-i(xv_x+yv_y)]；

其中，

p(v)是任意的非负权重函数，H(ρ，v)＝τ(ρ)h(ρ,v)是任意核函数，σ表示与多高斯光束束腰相关的参数，α和β表示与多高斯光束的相干宽度有关的参数；

对上述多高斯光束的H函数和p函数中的σ、α和β进行取值，得到多

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明通过设置光源组件、空间光调制器、4F成像系统、第一透镜和光强分布探测组件，实现搭建产生动态可调平顶光束的光路装置，结构简单，成本低，能耗少。

2、本发明的光源组件发出的线偏振光经过空间光调制器整形为多高斯光束输出，改变多高斯光束的一些参数能够实现动态调控。高斯光束依次经过4F成像系统和第一透镜，实现高斯光束将转换为平顶光束输出。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的平顶光束的剖面图；

图3为本发明的平顶光束的光强分布曲线图。

说明书附图标记说明：1-氦氖激光器，2-光学扩束镜，3-偏振片，4-半波片，5-空间光调制器，6-分束镜，7-第二透镜，8-光阑，9-第三透镜，10-第一透镜，11-电荷耦合器件，12-第二计算机，13-第一计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明公开了一种产生动态可调平顶光束的装置，包括：

光源组件、空间光调制器5、4F成像系统、第一透镜10和光强分布探测组件。

上述光源组件能够发出线偏振光。其中，上述光源组件包括由上而下依次设置的氦氖激光器1、光学扩束镜2、偏振片3和半波片4。

其中，上述氦氖激光器1能够发出一束完全相干线偏振光，上述完全相干线偏振光束输入至上述光学扩束镜2，上述光学扩束镜2能够将上述完全相干线偏振光束进行扩宽并将上述完全相干线偏振光调整为平面波。

上述平面波经过上述偏振片3，上述偏振片3将平面波中的非线偏振部分进行滤除并将上述平面波转换为线偏振光进行输出。

上述半波片4设置在偏振片3的下方，上述半波片4能够对上述线偏振光进行旋转，上述偏振片3和半波片4相互配合能够消除背景光对实验产生的影响。

在上述半波片4的下方设置有分束镜6，上述分束镜6能够对上述线偏振光一分为二，将其分为反射光部分和透射光部分。

上述空间光调制器5位于上述光源组件的一侧，更具体地，上述空间光调制器5位于分束镜6的其中一侧。上述线偏振光经过分束镜6一分为二后，其中反射光部分输入至空间光调制器5并经过上述空间光调制器5整形成多高斯光束输出。上述空间光调制器5与第二计算机12连接，上述第二计算机12用于加载使用复屏法产生的多高斯光束的散斑。

上述4F成像系统和第一透镜10依次设置在光源组件的另一侧，更具体地，上述4F成像系统和第一透镜10依次设置在分束镜6的另一侧。经过上述光调制器整形输出的多高斯光束再次经过上述分束镜6，再依次经过上述4F成像系统和第一透镜10，在第一透镜10的焦平面上输出平顶光束。

优选的，上述4F成像系统包括第二透镜7、第三透镜9以及光阑8，上述光阑8设置在第二透镜7和第三透镜9之间，第二透镜7的焦距和第三透镜9的焦距相等，第二透镜7的焦距和第三透镜9的焦距均可优选为150mm。通过上述4F成像系统中的光阑8能够过滤出正一级光斑或负一级光斑。

上述光强分布探测组件位于上述第一透镜10远离4F成像系统的一侧，其能够用于探测平顶光束的光强分布。上述光强分布探测组件包括CCD电荷耦合器件11，上述CCD电荷耦合器件11位于第一透镜10的焦平面上以拍摄平顶光束的光强分布。上述CCD电荷耦合器件11能够与第一计算机13连接以实现对CCD电荷耦合器件11拍摄的光强分布图进行保存。

本发明的光源组件发出的线偏振光经过空间光调制器5整形为多高斯光束输出，改变多高斯光束的一些参数能够实现动态调控。高斯光束依次经过4F成像系统和第一透镜10，实现高斯光束将转换为平顶光束输出。基于此，本发明还进一步公开了一种产生动态可调平顶光束的方法，包括以下步骤：

S1、获取光源组件发出的线偏振光；

S2、利用复屏法，使用空间光调制器对所述线偏振光进行整形，利用复屏法将所述线偏振光整形为多高斯光束输出；

S3、将输出的所述多高斯光束依次经过4F成像系统和第一透镜，最终在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束。

进一步地，本发明的技术原理为：

假设交叉谱密度的表达式为：

W(ρ₁,ρ₂)＝τ(ρ₁)τ^*(ρ₂)μ(ρ₁,ρ₂) (1)

其中

表示源平面上多高斯光束的坐标，τ是表示振幅的复函数，其物理意义是光源的形状。μ也是一个复函数，表示部分相干激光束的相干度。

满足充分的非负确定性的交叉谱密度函数积分形式如下：

其中

表示一个随机向量；p(v)是任意的非负权重函数，H函数是任意核函数。

上述H(ρ,v)确定光场的类型，本发明中产生的是谢尔模型光束，所以H函数具有傅里叶变换形式，且振幅函数满足高斯分布，由此可以得到：

H(ρ，v)＝exp(-σρ²)exp[-i(xv_x+yv_y)]，其中σ是与光束的束腰有关的参数，根据实验要求取值。

由关系式(1)和(2)可以得到：

假设电场形式为：

T(ρ)是复透过率函数，且满足关系式μ(ρ₁,ρ₂)＝<T(ρ₁)T^*(ρ²)>,其中r(f)表示零均值、单位方差、循环复高斯随机数。

在本发明中，多高斯光束的交叉谱密度函数为：

其中M表示多高斯光束的阶数，σ₀表示束腰，δ_x表示x方向上的相干宽度，δ_y表示y方向上的相干宽度,

为归一化系数。

所以，根据上述的多高斯光束的交叉谱密度函数，得到多高斯光束的H函数和p函数：

H(ρ，v)＝exp(-σρ²)exp[-i(xv_x+yv_y)] (7)

其中，σ表示多高斯光束的束腰，α和β与多高斯光束的相干宽度有关的系数，可根据实验要求取值。

对上述多高斯光束的H函数和p函数中的σ、α和β进行取值，得到多高斯光束的复透过率函数T(ρ)，实现多高斯光束的输出：

多高斯光束在傍轴ABCD光学系统中传输之后，得到平顶光束，本发明中ABCD光学系统是简单的聚焦系统(即第一透镜10)，所以：

其中z表示传输距离，f'表示透镜的焦距。

实施例

氦氖激光器1产生一束波长为λ＝632.8×10^-9m的完全相干线偏振光，通过光学扩束镜2将上述完全相干线偏振光扩宽，同时调整完全相干线偏振光为平面波，通过上述偏振片3和半波片4的相互配合，消除背景光对实验产生的影响；线偏振光经过分束镜6一分为二，并经过空间光调制器5被整形为多高斯光束，然后多高斯光束再经过分束镜6，多高斯光束入射到4F成像系统(其中，第二透镜7和第三透镜9的焦距优选为f＝150mm)，通过上述4F成像系统中的光阑，能够滤出实验中所需要的正或负一级光斑。多高斯光束通过第一透镜10(第一透镜10的焦距优选为f＝400mm)，在第一透镜10的焦平面上放置CCD电荷耦合器件11，用于拍摄光强分布。为了达到较好的效果，空间光调制器5加载了10000张散斑图。

通过控制相干宽度实现动态调控获得所需的平顶光束，调控相干宽度可以改变平顶光束的形状，当δ_x＝δ_y时为圆形平顶光束，当δ_x≠δ_y为椭圆平顶光束，多高斯光束的阶数M会影响平顶度，M越大，光强越平。

多高斯光束的相关参数如下:束腰为ω＝0.5mm，相干宽度为δ_x＝0.4mm，δ_y＝0.6mm，阶数为M＝20。

第二计算机12加载散斑图，CCD电荷耦合器件11拍摄光束传输之后对应的散斑图。对得到的散斑图进行分析处理可以得到图二和图三。图二是光强剖面图，图三中(b)图是x方向的光强分布，(c)图是y方向的光强分布。

本发明根据多高斯光束的交叉谱密度函数得到对应的H函数和p函数，进而得到复透过率函数，利用复屏法产生多高斯光束。本发明可以实现动态调控，产生特定束腰、相干宽度或平顶度的部分相干椭圆平顶光束。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，包括：

光源组件，其发出线偏振光；

空间光调制器，其位于所述光源组件的一侧，所述线偏振光输入至所述空间光调制器，所述空间光调制器将所述线偏振光整形为多高斯光束输出；

4F成像系统和第一透镜，所述4F成像系统和第一透镜依次设置在所述光源组件的另一侧；所述多高斯光束依次经过所述4F成像系统和第一透镜，并在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束；

光强分布探测组件，其位于所述第一透镜的焦平面上，所述光强分布探测组件用于探测所述平顶光束的光强分布。

2.根据权利要求1所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述光源组件包括氦氖激光器和光学扩束镜；

所述光学扩束镜位于所述氦氖激光器下方，所述氦氖激光器发出的线偏振光束输入至所述光学扩束镜，所述光学扩束镜将所述线偏振光束扩宽并调整为平面波。

3.根据权利要求2所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述光源组件还包括偏振片和半波片，所述偏振片位于所述光学扩束镜的下方，所述平面波经过所述偏振片，所述偏振片滤除所述平面波中的非线偏振部分并输出线偏振光；所述半波片设置在所述偏振片的下方并对所述线偏振光进行旋转；

所述偏振片和半波片相互配合以消除背景光对实验产生的影响。

4.根据权利要求3所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述半波片的下方设置有分束镜；所述分束镜对所述线偏振光一分为二，将所述线偏振光分为反射光部分和透射光部分；所述反射光部分被输入至所述空间光调制器。

5.根据权利要求1所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述4F成像系统包括依次设置的第二透镜和第三透镜，所述第二透镜的焦距和第三透镜的焦距相等。

6.根据权利要求5所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述第二透镜的焦距和第三透镜的焦距均为150mm。

7.根据权利要求5所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述4F成像系统还包括光阑，所述光阑设置在所述第二透镜和第三透镜之间。

8.根据权利要求1所述的产生动态可调平顶光束的装置，其特征在于，所述光强分布探测组件包括CCD电荷耦合器件。

9.一种产生动态可调平顶光束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取线偏振光；

S2、利用复屏法，使用空间光调制器对所述线偏振光进行整形，获得多高斯光束输出；

S3、将输出的所述多高斯光束依次经过4F成像系统和第一透镜，最终在所述第一透镜的焦平面上输出平顶光束。

10.根据权利要求9所述的产生动态可调平顶光束的方法，其特征在于，所述S2中，“利用复屏法，使用空间光调制器对所述线偏振光进行整形，获得多高斯光束输出”，具体包括：

建立交叉谱密度函数模型：

其中，

表示源平面上多高斯光束的坐标，M表示多高斯光束的阶数，σ₀表示束腰，δ_x表示x方向上的相干宽度，δ_y表示y方向上的相干宽度,

为归一化系数；

根据所述交叉谱密度函数模型获取多高斯光束的H函数和p函数：

H(ρ，v)＝exp(-σρ²)exp[-i(xv_x+yv_y)]；

其中，

是任意的非负权重函数，H(ρ，v)＝τ(ρ)h(ρ,v)是任意核函数，σ表示与多高斯光束束腰相关的参数，α和β表示与多高斯光束的相干宽度有关的参数；

对上述多高斯光束的H函数和p函数中的σ、α和β进行取值，得到多高斯光束的复透过率函数T(ρ)，实现多高斯光束的输出。

Images