CN114200697A - 一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置 - Google Patents

一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置，属于光电子及激光领域。包括：一个声光调制器和一个柱透镜，通过柱透镜对声光调制器产生的衍射光的发散角进行补偿，矫正衍射光斑的椭圆度，实现对椭圆的衍射光斑矫正为圆光斑。并且通过单个声光调制器和单个柱透镜即可搭建衍射光椭圆度矫正系统，且声光调制器的摆放位置不影响束腰位置，相比传统的需要两块正交放置的完全相同的声光调制器对入射光进行级联衍射的方案，不会降低声光调制器的衍射效率，且装置结构简单，更容易实现，性价比更高，且衍射光的利用率更高。

Description

一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置
技术领域
本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置。
背景技术
超声场在晶体中传输的应力效应，使得晶体内形成疏密相间的周期性结构，类似于空间光栅，当光通过受到超声场作用的晶体时发生衍射现象，这种现象称为声光效应。以声光效应为原理制成的声光调制器能够对激光的光强、频率、相位等参数进行调制，由于其具有调制速度快、衍射效率高、控制电压低、驱动电路简单、温度稳定性好，消光比大、器件体积小等优点，声光调制器被广泛应用于激光的快速开关、移频和强度调制，并在当今许多实验和激光行业以及声光通信、激光测量及光纤传感器等技术领域得到广泛的应用。
通常声光调制器的特性通过衍射光的调制带宽、衍射效率和椭圆度三个重要参数进行评价，但与调制带宽和衍射效率相比，衍射光的椭圆度经常被忽略。在高速声光调制器中由于衍射光光斑圆度会下降因而限制了声光调制器的调制速率，同时衍射光的椭圆度也影响高质量的激光微行进，特别是在高速激光冲孔、激光钻孔、压印和打印缸等应用以及在高精度的激光加工产业、高度自动化的打标切割焊接系统等领域衍射光的椭圆度会影响到产品的精度与质量。因此，如何矫正声光调制器衍射光斑的椭圆度就显得尤为重要。
一直以来椭圆度的问题并不受重视，在实际应用中，常选择声束发散角与光束发散角的比值即比发散角在1.5到2.0之间，衍射光椭圆度影响较小，以平衡调制带宽和衍射效率，但入射光的束腰将被限制，且椭圆衍射激光束仍然存在。但目前的矫正椭圆度的方法也并不完善，现有的改善椭圆度的方法有双声光调制器级联矫正法。椭圆度是声光效应中声场和光场的发散角在两个方向动量失配度不同导致的。双声光调制器矫正法通过两块正交放置的完全相同的声光调制器对入射光进行级联衍射，该方法可以使衍射输出的光束的发散角在两个维度相同，有效的实现椭圆度的矫正，但是缺点也非常明显。第一，连续两次通过声光调制器，由于声光调制器的衍射效率的限制，系统的总体效率下降。第二，该系统需要两个声光调制器，增加了器件成本，同时使用完全相同的声光调制器也很难实现。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正的方法及装置，其目的在于不降低声光调制器的衍射效率的前提下，矫正衍射光斑的椭圆度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正装置，包括：一个声光调制器和一个柱透镜，所述声光调制器设置在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的任意位置，用于接收入射高斯光束并产生衍射光束；所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处，用于减小所述衍射光束在该位置处的发散角；且所述柱透镜的焦距需满足：
Figure BDA0003360156410000021
其中，f为柱透镜的焦距，qxi和qyi为入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处对应的椭圆光斑的长轴和短轴；
Figure BDA0003360156410000022
其中，
Figure BDA0003360156410000023
是衍射光束短轴的准直距离，P为衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射光束短轴方向的束腰半径。
进一步地，当所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰前距离为zcp的位置处时，所述柱透镜为柱面平凹镜；当所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰后距离为zcp的位置处时，所述柱透镜为柱面平凸镜。
进一步地，所述声光调制器放置在入射高斯光束的束腰处。
进一步地，所述声光调制器的材料为熔石英氧化碲、钼酸铅或铌酸锂。
进一步地，还包括位于声光调制器之前的激光器，所述激光器用于产生入射高斯光束。
进一步地，所述入射高斯光束为圆形光束。
按照本发明的另一方面，提供了一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正方法，包括如下步骤：
步骤S1，接收入射高斯光束；
步骤S2，在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的任意位置处产生衍射光束，
Figure BDA0003360156410000031
其中，
Figure BDA0003360156410000032
是衍射光束短轴的准直距离，P为衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射光束的束腰半径；
步骤S3，减小所述衍射光束在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处的发散角。
进一步地，所述衍射光束在入射高斯光束的束腰处产生。
进一步地，所述入射高斯光束为圆形光束。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的装置及方法，通过柱透镜对声光调制器产生的衍射光的发散角进行补偿，矫正衍射光斑的椭圆度，实现对椭圆的衍射光斑矫正为圆光斑。并且通过单个声光调制器和单个柱透镜即可搭建衍射光椭圆度矫正系统，且声光调制器的摆放位置不影响束腰位置，相比传统的需要两块正交放置的完全相同的声光调制器对入射光进行级联衍射的方案，不会降低声光调制器的衍射效率，且装置结构简单，更容易实现，性价比更高。
(2)本发明的装置，柱透镜可以设置在入射高斯光束的束腰前或束腰后，可以分别对入射的高斯光束先引入一定的椭圆度补偿通过衍射后产生的椭圆度，或者对衍射光束的椭圆度直接进行矫正。
(3)作为优选，当声光调制器放置在入射高斯光束的束腰处时，调制速度最快。
总而言之，本发明的装置及方法，能够实现对椭圆的衍射光斑矫正为圆光斑，且入射光只需通过一次声光调制器，柱透镜不引入其它损耗，能够有效减小由于声光调制器的衍射效率限制而带来的光束能量的损失，衍射光的利用率更高。
附图说明
图1是本发明实施例中声光调制器衍射配置以及衍射光的椭圆输出光束；
图2是本发明实施例中柱透镜矫正高斯光束原理图；
图3是本发明实施例中柱透镜置于声光调制器前，矫正衍射光椭圆度示意图；
图4是本发明实施例中柱透镜置于声光调制器后，矫正衍射光椭圆度示意图；
图5是本发明实施例中使用柱透镜矫正前和矫正后声光调制器衍射光椭圆度的变化曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为声光调制器；2为入射高斯光束；3为0级衍射光；4为-1级衍射光；5为柱面平凹透镜；6为柱面平凸透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先对本发明的术语“圆截面”进行定义：衍射激光束随着传播距离的增加，其截面逐渐变成一个圆，最后在远场中截面变为垂直的椭圆。本发明中的圆截面，是指入射高斯光束(衍射激光束)的截面为圆形的位置，该圆截面处与束腰截面之间的距离为zcp：
Figure BDA0003360156410000051
其中，
Figure BDA0003360156410000052
是入射高斯光束短轴的准直距离，P为纠正前的衍射高斯光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射的高斯光束的束腰半径。
本发明提供了一种通过柱透镜对声光调制器衍射光斑进行椭圆度矫正的方案以及装置。通过柱透镜结合声光调制器对衍射光斑进行椭圆度矫正，旨在不降低声光调制器的衍射效率的前提下，解决现有声光调制器中衍射光斑变为椭圆的问题。
装置主要包括：一个声光调制器1，以及一个柱透镜。声光调制器可放在入射高斯光束束腰到束腰前后zcp距离的圆截面之间的任意位置，用于接收入射高斯光束2并发生衍射产生束腰截面为横椭圆形的衍射激光束；柱透镜设置在与束腰截面距离为zcp的圆截面处，用于减小衍射光束在圆截面位置zcp处的发散角。
其中，当声光调制器放置在入射高斯光束的束腰处时，调制速度最快。入射高斯光束为圆形光束。
在衍射高斯光束的圆截面位置对应衍射光束腰处椭圆光斑长轴和短轴方向的q参数分别为qxi和qyi，q参数由下式计算：
Figure BDA0003360156410000053
其中，R为高斯光束等相位面的曲率半径，ω是与传播轴线相交于z点的高斯光束的光斑半径，即ω是z的函数ω(z)。
在圆截面位置放置柱透镜对光束进行变换，柱透镜的焦距需满足：
Figure BDA0003360156410000061
由于声光调制器的位置不影响衍射光场的输出特性，衍射过程中没有改变衍射的高斯光束束腰位置，因此，声光调制器可放在衍射光束束腰到束腰前后zcp距离的圆截面之间的任意位置。本方案通过柱透镜对所述声光调制器产生的衍射光的发散角进行补偿，从而实现对衍射高斯激光束的椭圆形光斑的矫正。即将截面为椭圆的高斯光束纠正为截面为圆形的高斯光束，实现衍射斑椭圆度的矫正。
柱透镜结合声光调制器矫正椭圆度的基本原理如下：
建立如图1所示的坐标系，图中声光调制器位于光束束腰腰的位置O，此处入射高斯光束和经过声光调制器后的衍射光束的束腰在同一个平面的同一个位置，图中(靠左侧)的圆形光斑为入射光束在束腰处的示意，图中(靠右侧)的椭圆形光斑为衍射光束在束腰处的示意。当入射高斯光束2以布拉格衍射角θB入射声光调制器1时，声光调制器介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将相互抵消，只出现0级和-1级的布拉格衍射，即0级衍射光3和-1级衍射光4。在合理选择参数且超声场足够强的情况下，入射光的能量几乎全部转移到-1级衍射光4上。入射高斯光束在其传播轴线z＝常数的平面内，场振幅以高斯函数
Figure BDA0003360156410000062
的形式从中心向外平滑减小，径向距离
Figure BDA0003360156410000063
其中，ω(z)定义为光斑半径，对应着振幅减小到中心值的1/e处的r值。光斑半径随坐标z按双曲线的规律扩展：
Figure BDA0003360156410000064
z0是传播轴线上的瑞利长度：
Figure BDA0003360156410000065
当z＝0时，ω(0)＝ω0达到最小值，称之为光束的束腰半径。
入射的高斯光束在束腰位置的光斑为圆形，经过声光调制器后的衍射光在束腰位置的光斑是一个以X轴为长轴Y轴为短轴的椭圆。光斑在X轴方向的长度与Y轴方向的长度的比值为椭圆度。声波分量的范围是由有限的声光束孔径引起的角衍射扩散提供的，声光调制器的宽度H远小于声光调制器的长度L，因此Y轴方向的超声场发散角大于X轴方向。Y轴方向发散角大，轴高斯光束尺寸的增长速度比X轴方向快。因此，随着测量位置的增加，会出现圆截面，衍射光的圆截面位置为：
Figure BDA0003360156410000071
其中，P为纠正前的衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射的高斯光束的束腰半径，z0是Y轴上的瑞利长度，即z0是入射高斯光束短轴的准直距离。
由于声光调制器位置不影响衍射光场的输出特性，衍射过程中没有改变高斯光束束腰位置，衍射光的束腰的位置始终与入射光束腰处于同一平面上。同时，理想透镜在对高斯光束变换的过程仅改变光束的发散角，在透镜前后并不改变光斑的尺寸。因此，如图2所示，在衍射光束传输到衍射光的圆截面位置处放置一个柱透镜，用于减小衍射光束在圆截面位置处的发散角，即减小衍射光在圆截面位置处Y轴方向的发散角，使得经过该柱透镜后，X和Y方向上拥有相同的发散角分布，从而把经过声光调制器后的椭圆高斯光束转换为标准高斯光束。
假设该椭圆高斯光束束腰短轴为ωy，束腰长轴为ωx，准直距离为z0，传输截面为圆的空间位置距离束腰的距离为zcp。在该圆截面位置对应椭圆光斑长轴和短轴q参数分别为qxi和qyi，q参数通过公式：
Figure BDA0003360156410000072
计算获得，其中，R是z的函数R(z)为与传播轴线相交于z点的衍射高斯光束等相位面的曲率半径，ω是z的函数ω(z)，为与传播轴线相交于z点的衍射高斯光束的光斑半径。
柱透镜Y方向的ABCD矩阵可写为：
Figure BDA0003360156410000081
其中，f为YOZ平面上圆柱形透镜的焦距。YOZ平面中高斯光束的q参数将改变为:
Figure BDA0003360156410000082
其中，qyi为YOZ平面上入射的高斯光束的q参数。qyo是YOZ平面上出射光(即通过柱透镜后的衍射光)的q参数。同时对于XOZ平面，圆柱形透镜相当于平行平板，不会放大光束X方向的分量。为了使得通过该柱透镜后X轴与Y轴方向的光斑有相同发散角，XOZ平面和YOZ平面上的q参数必须使qyo与qxi相等，则可求出所需的柱透镜的焦距f满足：
Figure BDA0003360156410000083
柱透镜矫正前后光斑的束腰位置并没有变化，柱透镜只改变了衍射光束圆截面处的发散角，因此通过该柱透镜后衍射光的椭圆高斯光束能被矫正为圆形高斯光束。根据高斯传输的可逆性，在已知声光调制器对入射高斯光束引入椭圆度数值的基础上，在入射高斯光束束腰前方距离衍射光圆截面距离为zcp处放置柱透镜，对入射的高斯光束沿Y方向先引入一定的椭圆度，然后再让其经过声光调制器，此时入射的具有椭圆特性的高斯光束经衍射后的衍射光束的就自然成为圆形高斯光束输出。这种基于柱透镜的在声光调制器前的补偿方案和在声光调制器后的矫正方案的示意图如图3和图4所示。
实施例1
如图3所示，本实施例中，柱透镜在声光调制器前对衍射光斑进行椭圆度矫正的装置，本实施例中，装置包括一个声光调制器1和一个柱透镜，其中，柱透镜为柱面平凹镜5，其凹面靠近声光调制器。使用换能器规格L＝30mm，H＝3mm的声光调制器，入射光波长为1030nm，单个声光调制器衍射时测得束腰位置椭圆度为1.09，短轴为0.651mm，光束质量为1.1的椭圆高斯光束，由上述公式计算得到该椭圆高斯光束圆光斑(圆截面)位置为入射的高斯光束腰位置前0.3186m和后0.3186m处，所需柱透镜的焦距f为-3.9322m。因此，在入射的高斯光束腰前0.32m处放置一个焦距为-4m的圆柱面平凹透镜，使入射的高斯光束通过柱透镜。入射的高斯光束在通过柱透镜后束腰处的光斑为竖椭圆光斑，而经过声光调制器后的光斑会变成近似圆斑。用CCD观测-1级衍射光4的椭圆度，结果如图5所示。图5是衍射光椭圆度随测量位置z变化的曲线，图中的曲线为无柱透镜时的拟合曲线，从图中可以看出，柱透镜的加入显著地矫正了衍射光的圆度，不加柱透镜时衍射光斑的椭圆度从1.09逐渐下降，在z＝0.86m处降至0.945，而使用柱透镜可使衍射光斑的椭圆度保持在0.98左右，即使用柱透镜进行矫正能显著提高高速声光调制器由于聚焦入射光场带来的衍射光光斑圆度下降。
实施例2
如图4所示，与实例1不同的是，本实施例的柱透镜在声光调制器后对衍射光斑进行椭圆度矫正，本实施例中的柱透镜为柱面平凸镜6，其平面靠近声光调制器。在入射光束腰后0.32m处放置一个焦距为4m的圆柱面平凸透镜，使衍射光通过柱透镜。通过声光调制器的衍射光光斑为横椭圆光斑，而经过柱透镜后的光斑会变成近似圆斑。用CCD观测-1级衍射光4的椭圆度(即衍射光束腰及其之后位置的截面的椭圆度变化，也就是整个衍射光束的椭圆度)，同样，柱透镜的加入显著地矫正了衍射光的圆度，使用柱透镜进行矫正能显著提高高速声光调制器由于聚焦入射光场带来的衍射光光斑圆度下降。
实施例1和2中的声光调制器的材料可以是熔石英，氧化碲，钼酸铅，铌酸锂。
进一步地，实施例1和2中，还可以包括位于声光调制器之前的激光器，该激光器用于产生入射高斯光束。入射高斯光束为圆形光束。
实施例3
一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正方法，包括如下步骤：
步骤S1，接收入射高斯光束并产生衍射光束；
步骤S2，在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的任意位置处产生衍射光束，
Figure BDA0003360156410000101
其中，
Figure BDA0003360156410000102
是衍射光束短轴的准直距离，P为衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射光束的束腰半径；
步骤S3，减小衍射光束在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处的发散角。
作为优选，衍射光束在入射高斯光束的束腰处产生时，调制速度最快。
本发明的装置及方法，通过柱透镜对声光调制器产生的衍射光的发散角进行补偿，实现对入射高斯激光束的椭圆形光斑的矫正。即将截面为椭圆的高斯光束纠正为截面为圆形的高斯光束，实现衍射斑椭圆度的矫正。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，包括：一个声光调制器和一个柱透镜，所述声光调制器设置在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的任意位置，用于接收入射高斯光束并产生衍射光束；所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处，用于减小所述衍射光束在该位置处的发散角；且所述柱透镜的焦距需满足：
Figure FDA0003360156400000011
其中，f为柱透镜的焦距，qxi和qyi为入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处对应的椭圆光斑的长轴和短轴；
Figure FDA0003360156400000012
其中，
Figure FDA0003360156400000013
是衍射光束短轴的准直距离，P为衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射光束短轴方向的束腰半径。
2.根据权利要求1所述的衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，当所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰前距离为zcp的位置处时，所述柱透镜为柱面平凹镜；当所述柱透镜设置在入射高斯光束束腰后距离为zcp的位置处时，所述柱透镜为柱面平凸镜。
3.根据权利要求2所述的衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，所述声光调制器放置在入射高斯光束的束腰处。
4.根据权利要求3所述的衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，所述声光调制器的材料为熔石英氧化碲、钼酸铅或铌酸锂。
5.根据权利要求4所述的衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，还包括位于声光调制器之前的激光器，所述激光器用于产生入射高斯光束。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的衍射光斑椭圆度矫正装置，其特征在于，所述入射高斯光束为圆形光束。
7.一种对声光调制器衍射光斑椭圆度矫正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，接收入射高斯光束；
步骤S2，在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的任意位置处产生衍射光束，
Figure FDA0003360156400000021
其中，
Figure FDA0003360156400000022
是衍射光束短轴的准直距离，P为衍射光束束腰处的椭圆度，ω0是衍射光束的束腰半径；
步骤S3，减小所述衍射光束在入射高斯光束束腰前或后距离为zcp的位置处的发散角。
8.根据权利要求7所述的衍射光斑椭圆度矫正方法，其特征在于，所述衍射光束在入射高斯光束的束腰处产生。
9.根据权利要求8所述的衍射光斑椭圆度矫正方法，其特征在于，所述入射高斯光束为圆形光束。
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