CN201035230Y - 激光束空间整形装置 - Google Patents

Abstract

一种激光束空间整形装置，特点是其构成包括：沿光束传播方向同光轴地依次的石英晶体平凸透镜、滤波小孔、普通透镜和偏振片，所述的石英晶体平凸透镜的光轴平行于晶体主轴，该石英晶体平凸透镜和普通透镜构成共焦系统，所述的滤波小孔位于该共焦系统的焦点。本实用新型具有结构简单，加工不复杂，调整方便，效果较好的特点。

Description

激光束空间整形装置

技术领域

本实用新型涉及激光，是一种激光束光强空间整形装置，特别是一种采用石英晶体平凸透镜的旋光性质结合偏振片的检偏实现激光束空间整形装置。

技术背景

通常，激光振荡器和放大器输出光束的光强在空间分布是高斯型的，高斯分布的特点是中心强度大、外侧强度逐渐减弱。但是，在激光技术及应用的许多领域里需要用到光强在空间均匀分布的激光束。在高功率激光系统中，输入到放大器中光束的空间均匀性能有效地抑制非线性效应，提高系统安全运行通量，保护激光工作介质，提高输出光束的填充因子；在非线性光学频率变换以及光参量放大技术中，要求泵浦激光束强度空间分布均匀；在激光加工、信息光学、激光医学以及激光惯性核聚变(ICF)等领域都要求具有较高光束质量的平顶激光束。

为了获得均匀分布的平顶光束，人们提出了多种激光束空间整形技术，例如二元光学元件激光束空间域整形技术、液晶光阀空间整形技术、双折射透镜组空间整形技术和随机相位板整形技术等，这些整形技术在一定程度上获得了较好的整形效果，但也存在一些问题：例如要求较高的加工精度、结构复杂、破坏阈值低，同时整形装置的调节精度也有比较高的要求。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种激光束空间整形装置，该装置应具有结构简单，加工不复杂，调整方便，效果较好的特点。

本实用新型的技术解决方案是利用石英晶体的旋光作用，结合偏振片的检偏实现激光光束的空间整形。

本实用新型的技术解决方案的原理是：

当线偏振光在石英晶体中沿着晶体光轴传播时，光的偏振方向会发生一定角度的偏转，即旋光现象，偏转的角度称为旋光角，旋光角的大小与晶体的厚度成正比。把石英晶片打磨成光轴与晶体光轴平行的平凸透镜，当光束正入射到该平凸透镜的平面时，光在透镜里将沿着晶体的光轴传播，由于透镜的厚度从边缘到中心逐渐变大，因此出射光束的旋光角从边缘到中心逐渐变大，结合偏振片的检光可以实现光束的空间整形，见说明书附图1所示。

设石英晶体平凸透镜的口径为2L，球面的曲率半径为R，参见图2，则离透镜中心r处的厚度为

$h\left(r\right)=\sqrt{R^2-r^2}-\sqrt{R^2-L^2},r\≤L---\left(1\right)$

设石英晶体对该入射光的旋光率为α，则调制函数为

$M\left(r\right)=I_{\mathrm{out}}\left(r\right)/I_{\mathrm{in}}\left(r\right)={\cos }^2[\mathrm{\α}\·h\left(r\right)]$

$={\cos }^2[\mathrm{\α}\·(\sqrt{R^2-r^2}-\sqrt{R^2-L^2})]---\left(2\right)$

可见，当nπ＜α·h(r)＜α·h(0)≤nπ+π/2(n取0，1，2，3...)时，该整形系统的径向透过率从中心到边缘r处是逐渐变大的，因此，光束通过该石英晶体平凸透镜后光强在径向得到了调制。当一束中心强度大，外侧强度逐渐减小的激光束(例如高斯光束)透过该整形系统时，因为中心的衰减大，边沿的衰减小，可以将该光束中心的高光强衰减，而更多的保留两侧的光强，从而获得均匀的平顶光束，参看图3。

基于上述光束空间整形原理，为实现本实用新型的目的，本实用新型激光束空间整形装置，特点是其构成包括：沿光束传播方向同光轴地依次的石英晶体平凸透镜、滤波小孔、普通透镜和偏振片，所述的石英晶体平凸透镜的光轴平行于晶体主轴，该石英晶体平凸透镜和普通透镜构成共焦系统，所述的滤波小孔位于该共焦系统的焦点。

在所述的石英晶体平凸透镜之前还有一1/2波片。

本实用新型在于利用旋光角大小与石英晶体厚度成正比的特点，结合偏振片的检偏实现激光光束的空间光强整形。

本实用新型还在于石英晶体平凸透镜的光轴平行于晶体的光轴以及平凸透镜的入射面为平面，所述的未整形光束正入射到该透镜的入射平面上使得光在透镜内沿着晶体的光轴传播。

由于在加工透镜时存在误差使透镜的厚度函数变为h(r)+Δh，而Δh使空间各位置的光偏振方向旋转了θ＝α·Δh。在本实用新型中，利用1/2波片调节入射到晶体透镜的光束的偏振方向使偏振光的偏振方向偏转-θ来补偿由于厚度误差引入的旋光角θ。因此，使用1/2波片来补偿透镜的厚度误差，可以降低对透镜厚度的加工精度要求。

本实用新型中由于使用了平凸透镜，该透镜使正入射的平行光束聚焦，因此利用另一普通光学透镜来构成一共焦光学系统补偿光程差从而获得平行输出光束。

本实用新型的特征还在于在共焦焦点处使用滤波小孔将高频部分滤掉，提高所述的整形光束质量。

结合说明书附图1，对该方法的实施步骤作如下描述：

①根据所述的未整形激光光束口径来选取石英晶体平凸透镜的口径以及系统中其它元件的尺寸，保证光束可以有效地通过该整形系统；

②选取若干所述的石英晶体平凸透镜球面半径值对I_out(r)＝I_in(r)·M(r)进行模拟计算，取最佳整形效果的半径值来制作该晶体平凸透镜；

③将所述的未整形光束正入射到偏振片上，调节偏振片的透偏方向与所述的未整形的激光光束偏振方向平行；

④将石英晶体平凸透镜放入光路中，使所述的未整形光束正入射到该透镜的入射平面上；

⑤调节透镜4，使其与石英晶体平凸透镜构成共焦光学系统；

⑥调节滤波小孔大小，将高频成分去掉；

⑦微调1/2波片的角度，补偿透镜的厚度误差(若误差在不影响整形效果之内，可不使用该波片)。

本实用新型利用线偏振光沿光轴传播时旋光角大小与晶体厚度成正比的性质，提出利用厚度从边缘到中心逐渐变厚的平凸透镜结合偏振片的检偏实现光束的空间整形，从而输出平顶激光光束。所述的石英晶体平凸透镜的光轴平行于晶体的光轴以及平凸透镜的入射面为平面保证了正入射到该透镜的光沿着晶体的光轴传播；本实用新型中引入1/2波片可补偿由加工误差Δh带来的影响，降低了对所述的石英晶体平凸透镜的加工精度要求；本实用新型中引入的滤波小孔可以滤去系统中的高频部分，提高了输出光束的质量。

综上所述，并经实验分析表明，本实用新型装置具有结构简单，加工不复杂，调整方便，效果较好的特点。

附图说明

图1为本实用新型的光路结构示意图

图2为所述的石英晶体平凸透镜尺寸示意图。

图3为所述的石英晶体平凸透镜口径为60mm，半径分别为R＝48，52，56mm时对口径为50mm的高斯型输入脉冲整形的模拟计算图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明，用以下实施例对本实用新型提出的利用旋光石英晶体平凸透镜实现激光光束的空间整形的方法作进一步描述，以便于对本实用新型的理解，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型最佳实施例的光路结构示意图，由图可见，本实用新型激光束空间整形装置，其构成包括：沿光束传播方向同光轴地依次的1/2波片3、石英晶体平凸透镜1、滤波小孔5、普通透镜4和偏振片4，所述的石英晶体平凸透镜的晶体主轴平行于系统光轴，该石英晶体平凸透镜1和普通透镜4构成共焦光学系统，所述的滤波小孔5位于该共焦光学系统的焦点。

设未整形光束强度分布为高斯型，本实施例的光束口径为50mm，从而归一化强度分布可表示为

I_in(r)＝exp(-2r²/25²)

对于口径为50mm的光束，可取石英晶体平凸透镜的口径为60mm，对于透镜球面镜的半径的选取，可以通过模拟计算I_out(r)＝I_in(r)·M(r)来获得最佳取值。

现取R＝48mm、52mm、56mm分别进行模拟计算，结果见图3，可见，取R＝52mm时可获得较好的整形效果，获得强度为0.26(归一化强度)，口径22mm的平顶激光光束。确定好所述的晶体透镜口径和球面半径就可以加工该透镜了。

光沿石英晶体光轴传播时出现旋光现象，因此，为保证光沿着晶体的光轴传播，要求所述的未整形光束正入射到该平面上。按本实用新型所述的光路结构如图1所示，通过下述步骤实现所述的空间整形：

①将偏振片2插入所述的未整形光束光路中，调节偏振片使光束正入射，然后调节偏振片透偏方向平行于所述的未整形光束的偏振方向；

②将上述石英晶体平凸透镜1插入到图示位置，使所述的未整形光束正入射到该透镜的入射平面上；

③将普通透镜4放入光路中与石英晶体平凸透镜1构成共焦光学系统；

④将滤波小孔5置于共焦焦点处，调节孔径大小，滤去高频成分；

⑤若所述的石英晶体平凸透镜的加工误差Δh影响了整形效果，可在图示位置插入1/2波片3，旋转其角度微调，直至获得最佳整形效果。

Claims (2)

1.一种激光束空间整形装置，特征在于其构成包括：沿光束传播方向同光轴地依次的石英晶体平凸透镜(1)、滤波小孔(5)、普通透镜(4)和偏振片(4)，所述的石英晶体平凸透镜的晶体主轴平行于系统光轴，该石英晶体平凸透镜(1)和普通透镜(4)构成共焦系统，所述的滤波小孔(5)位于该共焦系统的焦点。

2.根据权利要求1所述的激光束空间整形装置，其特征在于在所述的石英晶体平凸透镜(1)之前还有一1/2波片(3)。

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