CN116381950A - 一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置 - Google Patents

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董渊
金龙
刘景良
陈薪羽
吴春婷
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Abstract

本发明公开了一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置。所述光束嵌套型激光合束装置包括：第一激光器、圆锥镜、开槽三角棱镜以及第二激光器，第一激光器、圆锥镜和开槽三角棱镜从左至右依次放置；第二激光器放置在开槽三角棱镜的上方，使其输出的激光光束垂直入射开槽三角棱镜的槽面；圆锥镜用于将第一激光器出射的激光光束变换成一束中间光强为零，沿径向逐渐增强的圆环形激光光束；开槽三角棱镜用于将圆环形激光光束的出射方向90°旋转至与第二激光器激光出射方向平行，且不改变其光强分布；第二激光器出射的激光光束通过开槽三角棱镜的槽面透射出去，与旋转90°后的圆环形激光光束合并成一束嵌套型激光光束。

Description

一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置
技术领域
本发明属于激光光束合成技术领域，具体涉及一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置。
背景技术
单个激光器只能输出单一波长的激光，而且受到元件性能，结构尺寸以及热效应的影响，输出的激光功率不能无限制地调高，为了得到更高功率的激光光束常采用激光合束技术。激光合束技术广泛应用于高功率激光元器件、双光子成像、多光子共振电离、激光指向、激光焊接、激光覆盖、表面硬化等多个领域。其中，相干合束方法对于激光的波长、相位、偏振等参数具有一定的要求，因此该技术在高输出功率下方案复杂、稳定性差、实现技术难度较大；非相干合束则不需要控制各光束波长、相位、偏振等参数的一致性，对光源无要求，装置相对简单，其出射光束的质量基本取决于合束装置，更具可靠性和实用意义。
申请号为201210078189.7的在先专利公开了一种脉冲激光合束方案，其结构示意图如图1所示。其中101-104为激光器(输出端)；201-204为平面反射镜，其位置及放置角度固定不变，101-104与平面反射镜201-204对应摆放；301为旋转反射棱镜。该方案采用的是通过对具有至少一个反射面的反射棱镜进行旋转，将多束脉冲激光在各反射面上进行反射，实现非相干光束合成。但该方案存在以下四点不足：其一，多面体反射镜在该方案中优选为60面的反射镜，加工工艺复杂，另需配套编码器使用，只有当编码器采集到反射镜的方位信号时，才可实现精准控制；其二，反射镜连续旋转时产生的反射光抖动使激光光束质量有所下降；其三，由于旋转反射镜的转速限制，该装置对于光源激光器有一定的要求，需使用低重复频率的激光器才可实现；其四，光源激光器需以反射旋转棱镜为中心呈圆弧形分布，分布形势复杂且不易实现。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束的装置。
所述获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置包括：第一激光器1、圆锥镜2、开槽三角棱镜3以及第二激光器4，其中：
所述第一激光器1、圆锥镜2和开槽三角棱镜3从左至右依次放置；
所述第二激光器4放置在开槽三角棱镜3的上方，使其输出的激光光束垂直入射开槽三角棱镜3的槽面；
所述圆锥镜2用于将所述第一激光器1出射的激光光束变换成一束中间光强为零，沿径向逐渐增强的圆环形激光光束；
所述开槽三角棱镜3用于将圆环形激光光束的出射方向90°旋转至与所述第二激光器4激光出射方向平行，且不改变其光强分布；
所述第二激光器4出射的激光光束通过所述开槽三角棱镜3的槽面透射出去，所述开槽三角棱镜3不改变所述激光光束的出射路径，透射出的激光光束与旋转90°后的圆环形激光光束合并成一束嵌套型激光光束；
其中，所述第一激光器1和第二激光器4为合成光束的光源激光器。
其中，所述第一激光器1和第二激光器4的输出功率相同。
其中，所述第一激光器1和第二激光器4为半导体泵浦的532nm光纤绿光激光器。
其中，所述圆锥镜2为前后锥角不同的透镜。
其中，所述圆锥镜2的前锥角θ1为40°，后锥角θ2为60°，通光孔径为φ50mm。
其中，所述圆锥镜2为石英透镜。
其中，所述开槽三角棱镜3的45°倾斜面镀有高反射膜层，槽面镀有高透射膜层。
其中，所述开槽三角棱镜3的材质为熔石英。
本发明提出了一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置，该装置可以获得功率较大、能量分布呈台阶式的合成光束，且中心光强约等于其中一束光源的光强大小。该装置对于光源激光无参数一致性要求，且所合成的光束可作为下一合成阶段的光源激光进行再次合成，即该装置不仅限于两个光源激光，可实现N(N≥2)个激光光束的合成，以获得高功率的激光光束。除此之外，该装置简单易实现，合束过程中无抖动、低损耗，可保证较好的合成光束质量。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是在先的一种脉冲绿激光合束装置的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置的结构示意图；
图3是根据本发明一实施例产生的嵌套型激光光束的光强分布图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图2是根据本发明一实施例的获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置的结构示意图，如图2所示，所述获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置包括：第一激光器1、圆锥镜2、开槽三角棱镜3以及第二激光器4，其中：
所述第一激光器1、圆锥镜2和开槽三角棱镜3从左至右依次放置；
所述第二激光器4放置在开槽三角棱镜3的上方，使其输出的激光光束垂直入射开槽三角棱镜3的槽面；
其中，所述第一激光器1和第二激光器4为合成光束的光源激光器；
所述圆锥镜2用于将所述第一激光器1出射的激光光束变换成一束中间光强为零，沿径向逐渐增强的圆环形激光光束；
所述开槽三角棱镜3用于将圆环形激光光束的出射方向90°旋转至与所述第二激光器4激光出射方向平行，且不改变其光强分布；
所述第二激光器4出射的激光光束通过所述开槽三角棱镜3的槽面透射出去，所述开槽三角棱镜3不改变所述激光光束的出射路径，透射出的激光光束与旋转90°后的圆环形激光光束合并成一束嵌套型激光光束。
在本发明一实施例中，所述第一激光器1和第二激光器4的输出功率相同，另外，本发明实施例对于第一激光器1和第二激光器4的波长、相位、偏振等其他参数均无特殊要求。
在本发明一实施例中，考虑到绿色光穿透力较强，因此，所述第一激光器1和第二激光器4可以选择为半导体泵浦的532nm光纤绿光激光器。
在本发明一实施例中，所述圆锥镜2为前后锥角不同的透镜。
在本发明一实施例中，所述开槽三角棱镜3的45°倾斜面镀有高反射膜层，槽面镀有高透射膜层。
所述获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置的工作原理为：当所述第一激光器1出射的呈高斯分布的光束垂直入射到圆锥镜2的前锥角时，相当于入射到了一个负圆锥镜，在锥尖处从轴线上形成轴对称的光束分布，产生了以锥尖为顶点的一束锥状的空心光束，再经由圆锥镜2的后圆锥表面折射，形成一束筒状的平行圆环形光束。同时第二激光器4通过开槽三角棱镜3的槽面透射，不改变激光光束的出射路径，透射出的激光光束与旋转90°后的圆环形激光光束合并成一束嵌套型激光光束。所合成的嵌套型激光光束呈现出台阶式的光强分布，即光束中心光强最强，向光束边缘呈强度递减的分布形式。
在本发明一具体实施例中，所述光束嵌套型激光合束装置的第一激光器1和第二激光器4的输出功率为50w；圆锥镜2为前后锥角不同的石英透镜，其中，前锥角θ1为40°，后锥角θ2为60°，通光孔径为φ50mm；开槽三角棱镜3的材质为熔石英，通光口径为φ70mm，其45°倾斜面镀有532nm高反射率膜(R>99％)，槽面镀有532nm增透膜(T>99％)。所述光束嵌套型激光合束装置形成的合成光束的光强分布如图3所示，最高功率可达约100W。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种获得台阶式光强分布的光束嵌套型激光合束装置，其特征在于，所述装置包括：第一激光器(1)、圆锥镜(2)、开槽三角棱镜(3)以及第二激光器(4)，其中：
所述第一激光器(1)、圆锥镜(2)和开槽三角棱镜(3)从左至右依次放置；
所述第二激光器(4)放置在开槽三角棱镜(3)的上方，使其输出的激光光束垂直入射开槽三角棱镜(3)的槽面；
所述圆锥镜(2)用于将所述第一激光器(1)出射的激光光束变换成一束中间光强为零，沿径向逐渐增强的圆环形激光光束；
所述开槽三角棱镜(3)用于将圆环形激光光束的出射方向90°旋转至与所述第二激光器(4)激光出射方向平行，且不改变其光强分布；
所述第二激光器(4)出射的激光光束通过所述开槽三角棱镜(3)的槽面透射出去，所述开槽三角棱镜(3)不改变所述激光光束的出射路径，透射出的激光光束与旋转90°后的圆环形激光光束合并成一束嵌套型激光光束；
其中，所述第一激光器(1)和第二激光器(4)为合成光束的光源激光器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光器(1)和第二激光器(4)的输出功率相同。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一激光器(1)和第二激光器(4)为半导体泵浦的532nm光纤绿光激光器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆锥镜(2)为前后锥角不同的透镜。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述圆锥镜(2)的前锥角θ1为40°，后锥角θ2为60°，通光孔径为φ50mm。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述圆锥镜(2)为石英透镜。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开槽三角棱镜(3)的45°倾斜面镀有高反射膜层，槽面镀有高透射膜层。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述开槽三角棱镜(3)的材质为熔石英。
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