CN114280771B - 用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统，解决现有光学透镜匀化对于宽谱段、高功率激光器而言，不利于激光光斑的匀化设计，而实现匀化导致结构复杂、稳定性差的问题。该方法包括步骤：1)根据所需模拟光斑大小设计准直物镜有效口径D1和焦距f₁；2)将匀化光纤与光纤激光器相连，根据匀化光纤的光束发散角α及准直物镜有效口径D1，获得激光光斑能量分布；3)从激光光斑能量分布寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域；4)准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜的设计；5)在匀化光纤输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，即完成激光光斑匀化系统的搭建。

Description

用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统

技术领域

本发明属于空间光学目标模拟领域，具体涉及一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统设计方法及采用该方法搭建的激光光斑匀化系统。

背景技术

为保证卫星在轨正常工作，需对卫星所处空间环境进行地面模拟。为避免由于光源照射至目标的光强分布不均，导致卫星对目标进行信息提取时出现误差，需保证模拟目标的光斑均匀性较高，即需要对激光光斑进行匀化处理。

现有激光光斑匀化方式主要包括光纤匀化、光学透镜匀化、菲涅耳透镜匀化、衍射光学元件匀化及微透镜阵列匀化等方式。目前，最稳定可靠且实用的匀化方式为光学透镜匀化。光学透镜匀化原理是通过在光学设计软件中输入激光高斯光束的光斑参数，然后通过评价函数(评价函数即为优化函数)中几何光线来优化透镜的矢高，将高斯光束整形为平顶光束，由于透镜优化是通过软件实现的，在设计时可采用自由曲面增加匀化系统的灵活性。

目前光学透镜匀化主要是针对单波长、低功率激光器，但在实际应用中，尤其是对于宽谱段、高功率激光器而言，其激光光斑参数在不同谱段不同功率范围内都不尽相同，不利于激光光斑的匀化设计，若要实现激光光斑的匀化，则需要采用结构复杂的匀化系统，且因透镜匀化结果与工作距离严格相关，随距离变化较为敏感，使得系统稳定性相对较差。

发明内容

为了解决现有光学透镜匀化对于宽谱段、高功率激光器而言，不利于激光光斑的匀化设计，而要实现匀化易导致系统结构复杂，以及稳定性较差的技术问题，本发明提供了一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)准直物镜参数设计

根据所需模拟光斑大小设计准直物镜的参数，所述参数包括有效口径(出瞳直径)D1、焦距f₁和工作波长范围；

2)获得激光光斑能量分布

将匀化光纤的输入端与光纤激光器尾纤相连，根据匀化光纤输出端的光束发散角α以及准直物镜的有效口径D1，获得与匀化光纤输出端相距H处的有效口径D1范围内的激光光斑能量分布；

其中，

3)计算光斑中心区域能量占比

从步骤2)有效口径D1范围内激光光斑能量分布寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域，计算该光斑中心区域能量与有效口径D1所对应区域能量的占比A；

4)切趾器参数设计

切趾器参数包括依次设置的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜；

4.1)准直透镜设计

根据匀化光纤输出端的光束发散角α，确定准直透镜的F数F₁#，然后根据准直透镜的F₁#，设计准直透镜的有效口径D2和焦距f₂；

4.2)孔径光阑设计

根据所述占比A和准直透镜的有效口径D2，设计孔径光阑的有效口径D3；

4.3)聚焦透镜设计

将孔径光阑的有效口径D3作为聚焦透镜的有效口径D4，通过下式计算聚焦透镜的焦距f₃：

f₃＝F₂ ^#×D4；

其中，F₂#为聚焦透镜的F数，与准直物镜的F数F#相同，

5)搭建激光光斑匀化系统

在匀化光纤的输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，且准直透镜的焦点与匀化光纤出口端中心重合，以及聚焦透镜的焦点与准直物镜的焦点重合，即完成激光光斑匀化系统的搭建。

进一步地，步骤3)中，所述寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域是从有效口径D1向中心依次寻找的。

本发明还提供了一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统，其特殊之处在于：采用上述用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法搭建而成；

包括输入端与光纤激光器尾纤相连的匀化光纤以及依次设置在匀化光纤输出端的切趾器和准直物镜；

所述切趾器包括沿光路依次设置的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，所述准直透镜的焦点与匀化光纤出口端中心重合，所述聚焦透镜的焦点与准直物镜的焦点重合。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统，采用匀化光纤与切趾器相结合的形式，提高激光光斑的能量均匀性，并对切趾器进行合理的设计，实现对激光光斑的高均匀性，完成无穷远均匀亮目标模拟。

2、本发明用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统具有结构简单、体积较小、稳定性好的特点，且光斑能量均匀性不随工作距离变化而变化。

3、本发明用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统适用于各个常见波段的光源，尤其适用于高功率、宽谱段激光器等特殊光源。

附图说明

图1为本发明用于光纤激光器的激光光斑匀化系统与光斑能量分布示意图；

其中，附图标记如下：

1-光纤激光器，2-匀化光纤，3-切趾器，31-准直透镜，32-孔径光阑，33-聚焦透镜，4-准直物镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统，主要工作原理为：光纤激光器经尾纤发射激光，经过匀化光纤(此次实施方案中采取的匀化光纤为方芯光纤)进行能量匀化，使得光斑原有的能量分布被打乱，但由于器件的局限性，导致能量均匀性不高，为此通过“切趾器”(透镜系统)实现高匀化要求，准直透镜可实现光束的准直，通过光阑来选择根据满足均匀性要求的光束，再通过聚焦透镜完成光束的聚焦，最后通过准直物镜完成无穷远均匀光学目标的模拟。包括输入端与光纤激光器1尾纤相连的匀化光纤2以及依次设置在匀化光纤2输出端的切趾器3和准直物镜4，本发明基于光纤激光器1光源，依据光纤激光器1的出光方式，采用匀化光纤2与切趾器3相结合的形式，来提高激光光斑的能量均匀性。

如图1所示，光纤激光器1经尾纤出射激光，其能量分布为高斯分布，激光经过匀化光纤(方芯光纤)2时会打乱原有的高斯能量分布，从而将激光的能量分布进行匀化，使输出光斑能量均匀性有显著提升，但由于匀化光纤2自身的限制因素，导致激光光斑能量均匀性不会太高，无法满足高均匀性的要求。为了使得输出激光光斑的均匀性进一步提高，在匀化光纤2之后设置切趾器3并对其结构进行设计，实现对光斑进一步匀化，再经过准直物镜4进行光束准直，从而可实现无穷远均匀亮目标的模拟。

本发明采用匀化光纤2与切趾器3相结合的方式对激光光斑进行匀化。需对切趾器3进行合理设计，才能实现激光光斑的高均匀性，完成无穷远均匀亮目标模拟。切趾器3的设计与匀化光纤2和准直物镜4相关，因此，在本发明用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法中，需对激光光斑匀化系统进行合理设计，具体过程如下：

1)准直物镜4参数设计

根据所需模拟光斑大小设计准直物镜4的参数，所述参数包括有效口径(出瞳直径)D1、焦距f₁和工作波长范围；比如所需光斑波长为1550nm±10nm，则本实施例准直物镜4的工作波长设计为1550nm±10nm，有效口径为Φ200mm，焦距为800mm，由此通过设计软件可得到准直物镜的尺寸参数，该尺寸参数包括准直物镜各镜片的曲率半径、玻璃厚度、玻璃直径及空气间隔、玻璃材料；

2)获得激光光斑能量分布

将匀化光纤2的输入端与光纤激光器1尾纤相连，根据匀化光纤2输出端的数值孔径(光束发散角α)以及准直物镜4的有效口径D1，获得与匀化光纤2输出端相距H处的有效口径D1范围内的激光光斑能量分布；比如匀化光纤的发散角约为14.36°，可计算出H约为800mm，从而可测出距匀化光纤出光口800mm处的Φ200mm范围内的能量分布。

其中，

光纤激光器1的输出波长应覆盖1550±10nm；

3)计算光斑中心区域能量占比

确定满足能量均匀性要求的光斑中心区域，根据实际工程经验，所选中心区域范围越小，其光斑均匀性越好，但系统的透过率越低，因此在实际应用中需权衡均匀性与透过率的关系，本实施例对于步骤2)有效口径D1范围内激光光斑能量分布，是从有效口径D1向中心依次寻找满足均匀性要求的最大透过率(即最大直径)，作为光斑中心直径Φ，该光斑中心直径Φ所对应的区域为光斑中心区域，然后计算该光斑中心区域

的能量与有效口径D1所对应区域

的能量的占比A；比如在Φ200mm范围内的能量分布中，Φ66mm范围内的能量满足均匀性的要求，经过理论建模，可计算出能量占比A约为33％。

4)切趾器3参数设计

切趾器3包括依次设置的准直透镜31、孔径光阑32和聚焦透镜33，准直透镜31先对光斑进行准直，利用孔径光阑32对激光光斑进行提取，通过聚焦透镜33对激光光斑进行会聚完成激光光斑的聚焦；

4.1)准直透镜31设计

根据匀化光纤2输出端的光束发散角α，确定准直透镜31的F数F₁#，准直透镜31的F₁#尽可能接近匀化光纤2的F₃#，然后根据准直透镜31的F₁#，设计准直透镜31的有效口径D2和焦距f₂，本实施例准直透镜31的工作波长设计为1550nm±10nm，匀化光纤的F₃#约为4，由于空间受限，有效口径D2为21mm，则可得到准直透镜31的焦距为84mm，由此通过软件设计可得到准直透镜31的其他参数；

4.2)孔径光阑32设计

根据所述占比A和准直透镜31的有效口径D2，设计孔径光阑32的有效口径D3，本实施例准直透镜的有效口径D2为21mm，满足均匀性要求的能量占比A为33％，由此可得到光阑孔径大小为7mm；

4.3)聚焦透镜33设计

将孔径光阑32的有效口径D3作为聚焦透镜33的有效口径D4，为了保证能量损失最小，聚焦透镜33的F数F₂#与准直物镜4的F数F#相同，

通过下式计算聚焦透镜33的焦距f₃：

f₃＝F₂ ^#×D4；

本实施例聚焦透镜33的工作波长设计为1550nm±10nm，准直物镜4的F#为4，聚焦透镜33的有效口径为Φ7mm，故可计算出聚焦透镜的焦距为28mm，由此可得到聚焦透镜的其他参数：

5)搭建激光光斑匀化系统

在匀化光纤2的输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜31、孔径光阑32和聚焦透镜33，且准直透镜31的焦点与匀化光纤2出口端中心重合，以及聚焦透镜33的焦点与准直物镜4的焦点重合，即完成激光光斑匀化系统的搭建。

在使用光纤激光器1作为均匀光源时，针对传统的光学透镜进行激光光斑匀化方法的不足，本实施例提出匀化光纤2与切趾器3相结合的方式进行光斑匀化，采用两种不同的匀化方式对激光光斑进行处理，使得激光光斑能量均匀性得到大大提升。相比于传统方法，本实施例系统结构简单、体积较小、稳定性好，且光斑能量均匀性不随工作距离变化而变化；其次，本实施例系统也适用于各个常见波段的光源；最重要的是，可适用于高功率、宽谱段激光器等特殊光源。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (3)

1.一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准直物镜(4)参数设计

根据所需模拟光斑大小设计准直物镜(4)的参数，所述参数包括有效口径D1、焦距f₁和工作波长范围；

2)获得激光光斑能量分布

将匀化光纤(2)的输入端与光纤激光器(1)尾纤相连，根据匀化光纤(2)输出端的光束发散角α以及准直物镜(4)的有效口径D1，获得与匀化光纤(2)输出端相距H处的有效口径D1范围内的激光光斑能量分布；

其中，

3)计算光斑中心区域能量占比

从步骤2)有效口径D1范围内激光光斑能量分布中寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域，计算该光斑中心区域能量与有效口径D1所对应区域能量的占比A；

4)切趾器(3)参数设计

4.1)准直透镜(31)设计

根据匀化光纤(2)输出端的光束发散角α，确定准直透镜(31)的F数F₁#，然后根据准直透镜(31)的F₁#，设计准直透镜(31)的有效口径D2和焦距f₂；

4.2)孔径光阑(32)设计

根据所述占比A和准直透镜(31)的有效口径D2，设计孔径光阑(32)的有效口径D3；

4.3)聚焦透镜(33)设计

将孔径光阑(32)的有效口径D3作为聚焦透镜(33)的有效口径D4，通过下式计算聚焦透镜(33)的焦距f₃：

f₃＝F₂ ^#×D4；

其中，F₂#为聚焦透镜(33)的F数，与准直物镜(4)的F数F#相同，

5)搭建激光光斑匀化系统

在匀化光纤(2)的输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜(31)、孔径光阑(32)和聚焦透镜(33)，且准直透镜(31)的焦点与匀化光纤(2)出口端中心重合，以及聚焦透镜(33)的焦点与准直物镜(4)的焦点重合，即完成激光光斑匀化系统的搭建。

2.根据权利要求1所述用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法，其特征在于：步骤3)中，所述寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域是从有效口径D1向中心依次寻找的。

3.一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统，其特征在于：采用权利要求1或2所述用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法搭建而成；

包括输入端与光纤激光器(1)尾纤相连的匀化光纤(2)以及依次设置在匀化光纤(2)输出端的切趾器(3)和准直物镜(4)；

所述切趾器(3)包括沿光路依次设置的准直透镜(31)、孔径光阑(32)和聚焦透镜(33)，所述准直透镜(31)的焦点与匀化光纤(2)出口端中心重合，所述聚焦透镜(33)的焦点与准直物镜(4)的焦点重合。

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