CN201637928U - 空间相干调制的光束整形光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空间相干调制的光束整形光学系统，其包括依次设置的激光光源、相干度控制系统和聚焦系统，相干控制系统包括：第一凸透镜，毛玻璃和可变光阑；聚焦系统包括：第二凸透镜；激光光源为第一凸透镜的入射光源，毛玻璃可转动地设置于第一凸透镜与第二凸透镜之间并位于第一凸透镜的焦点上，毛玻璃后方固定有可变光阑。通过相干度控制系统以及聚焦系统，实现对激光光源的整形。本实用新型整形方式更灵活，适用范围更广，不仅能实现平顶光束以及空心光束，而且在选择适当的光阑之后还能得到其他光束。另外，在实现上，本实用新型没有复杂的光路系统，以及昂贵的光学仪器。本实用新型都是一个较理想的光学系统。

Description

空间相干调制的光束整形光学系统

技术领域

本实用新型涉及激光光束整形光学系统，特别适用于对激光光强分布有要求的实际应用光学系统。

背景技术

随着激光应用的逐渐成熟以及对激光技术研究的深入，一般高斯型光强分布的激光已经不能够满足应用的要求。例如在激光材料加工、激光热处理、以及激光核聚变等实际应用中，平顶光束比高斯光束更符合应用要求。又比如在微观粒子无接触操控，光镊光学扳手以及激光导管等应用中，局域空心光束在实用中的地位更是无法替代。

在平顶光束的获得上，以往采用的是吸收滤光片、微透镜列阵以及衍射光学等方法制造的仪器。而对于局域空心光束，有人提出用球差透镜和投影透镜，用计算全息圆形波带片，以及用聚焦贝塞耳光束等方法来实现。然而，不管是平顶光束还是局域空心光束，上述这些方法制造的仪器在实际应用中都需要一些特殊的光学元件，并且为了保证光束的相干性，对所需的光学元件的精度以及实际操作都有所要求。因此，不管从成本还是从实际操作上讲，上述这些方法在光束整形的实际应用中并不简便实用。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种新的光路结构提供一种通过控制光束相干度，从而实现光束整形，达到一定实用要求的激光光束。

本实用新型采用如下结构实现：空间相干调制的光束整形光学系统，包括依次设置的激光光源、相干度控制系统和聚焦系统。

相干控制系统包括：第一凸透镜，毛玻璃和可变光阑；聚焦系统包括：第二凸透镜；激光光源为第一凸透镜的入射光源，毛玻璃可转动地设置于第一凸透镜与第二凸透镜之间并位于第一凸透镜的焦点上，毛玻璃后方固定有可变光阑。

毛玻璃通过电机进行驱动。

激光光源与第一凸透镜之间的距离在0-3cm之间；可变光阑与毛玻璃之间距离为0-5mm。

采用如上光学系统，使本实用新型通过一种简单的光束整形的方法，实现一种空间相干调制的光束整形光学系统，该系统包括三部分，既激光光源，相干度控制系统，聚焦系统。通过相干度控制系统以及聚焦系统，实现对激光光源的整形。与现有的技术相比，本实用新型整形方式更灵活，适用范围更广，不仅能实现平顶光束以及空心光束，而且在选择适当的光阑之后还能得到其他光束。另外，在实现上，本实用新型没有复杂的光路系统，以及昂贵的光学仪器。因此，不管从应用的要求上，实现的难度上，以及实用的成本上来讲，本实用新型都是一个较理想的光学系统。

已有技术中考虑完全相干光作为光束光源，其方法不够实用。然而由于部分相干光存在的普遍性，以及部分相干光相对于完全相干光具有光强比较均匀，对散斑的灵敏度较低等特点，实现部分相干光的光束整形，即通过控制部分相干光的相干度来实现光束的整形将是非常有意义的，本实用新型正是通过部分相干光束的获得而实现。

附图说明

图1为本实用新型的光路结构图；

图2为获得部分相干光束的理论模型；

图3为本实用新型中光阑的结构示意图；

图4为通过本实用新型整形所得的一种光斑图；

图5为通过本实用新型整形所得的另一种光斑图；

图6为通过本实用新型整形所得的再一种光斑图；

图7为通过本实用新型整形所得的又一种光斑图。

具体实施例

下面为具体实施例

本实用新型的空间相干调制的光束整形光学系统，如图1所示，包括依次设置的激光光源1，第一、第二光学凸透镜2、3，可转动的毛玻璃4，可变光阑5，CCD相机6和计算机7。其中，CCD相机为采用电荷耦合器件作为光电转换器件的数码相机。

激光光源1为第一凸透镜2的入射光源，激光光源1与第一凸透镜2之间的距离理论上不受限制，但为了减少能量损失，此距离一般控制在0-3cm之间。

毛玻璃4通过电机41驱动可转动地设置于第一凸透镜2与第二凸透镜3之间并位于第一凸透镜2的焦点上，第一凸透镜2一般取短焦距透镜。

毛玻璃4后方固定有可变光阑5，可变光阑5与毛玻璃4之间距离为0-5mm。

第二光学凸透镜3设置于可变光阑5后方，第二光学凸透镜3与可变光阑5之间的距离d应为d大于f。

CCD相机6设置于第二光学凸透镜3后方，CCD相机6与第二光学凸透镜3的距离一般取第二光学凸透镜3的焦距f，确切的距离可取第二光学凸透镜3的焦距的前后5cm的范围。计算机7连接于CCD相机6的输出端，通过CCD相机6以及计算机7，可直接观察所获得光束的光强分布。

当激光光源1经第一凸透镜2聚焦之后打到转动的毛玻璃4上，毛玻璃4的随机表面破坏了激光光束的相干性，在通过毛玻璃4之后光束为非相干光。在毛玻璃4之后放置一个可变光阑5，从光阑5出射的光束在传输一段距离后由非相干光束变为部分相干光，其空间相干度可由式(1)计算得到。部分相干光束的获得——利用范西泰特-策尼克定理构造特定相干度的部分相干光束。

如图2所示，根据范西泰特-策尼克定理非相干光源经传输之后光束的相干度会变好，既可从一个非相干光源获得部分相干光束。并且这个从非相干光源得到的部分相干光的相干度可通过下式计算得到，即：

${\mathrm{\μ}}_{12}=\exp \left(i{\mathrm{\α}}_{12}\right)\frac{\underset{s}{\∫\∫}I(x,y)\exp [-i2\mathrm{\π}(\mathrm{px}+\mathrm{qy})]\mathrm{dxdy}}{\underset{s}{\∫\∫}I(x,y)\mathrm{dxdy}},---\left(1\right)$

其中：

$I(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}I(x,y)& s\\ 0& \mathrm{\Δs}\end{array}\right.$

${\mathrm{\α}}_{12}=2\mathrm{\π}\frac{({x_2}^2-{x_1}^2)+({y_2}^2-{y_1}^2)}{2{\mathrm{\λ}}_{0}z},$

$p=\frac{x_2-x_1}{{\mathrm{\λ}}_{0}z},$ $q=\frac{y_2-y_1}{{\mathrm{\λ}}_{0}z}$

上式中，λ₀为入射光的波长，Z为传输距离。因此根据式(1)可知，若是在积分区域上加以限定，也就是控制s区域的大小与形状便可实现对光束空间相干度的调制，从而得到具有特殊相干度分布的部分相干光。其中x、y和z指的是坐标，o指的坐标原点；R指的是源到接收面的距离，s指的是非相干光源，Δs指的是一点光源，字母下标的1和2指的是到达的两个不同点。M为接收平面。

因此，在第二凸透镜聚2焦前光束为部分相干光。通过可变光阑5得到具有特定相干度的部分相干光，而经第二凸透镜3的聚焦，在透镜的几何焦点上便可得到满足实用要求的所需特定光束。通过CCD相机6以及一台计算机7，可直接观察所获得光束的光强分布。

下面是通过具体参数得到的光斑的实施例。

如图3所示可变光阑结构，光阑为环形光阑，其中：a为内径b为外径。

在图1所示光路图中取参数d＝1.5m，a＝0，b＝3mm，ω₀＝4.5mm，f＝20cm。其中ω₀值为毛玻璃上的光斑半径大小，f值为聚焦透镜实际焦距。由CCD相机拍摄得到的实际光斑为如图4所示。

在图1所示光路图中取参数d＝1.5m，a＝0，b＝3mm，ω₀＝4.5mm，f＝5cm。由CCD相机拍摄得到的实际光斑为如图5所示。

在图1所示光路图中当光路图中取参数为d＝1.5m，a＝1.2mm，b＝3mm，ε＝0.4，ω₀＝4.5mm，f＝20cm。其中ω₀值为透镜的直径大小，f值为聚焦透镜实际焦距。由CCD相机拍摄得到的实际光斑为如图6所示。其中局域空心光斑，ω₀＝4.5mm，a＝1.2mm，b＝3mm，ε＝0.4。(a)所对应的f值为f＝18.4cm；(b)所对应的f值为f＝19.5cm，而其空心光斑的空心半径为r＝0.058mm；(c)所对应的f值为f＝20cm，其空心光斑的空心半径为r＝0.135mm；(d)所对应的f值为f＝21.5cm。

当图1所示光路图中取参数为d＝1.5m，a＝2.4mm，b＝3mm，ε＝0.8，ω₀＝4.5mm。其中ω₀值为透镜的直径大小，f值为聚焦透镜实际焦距。由CCD拍摄得到的实际光斑为入图7所示；其中局域空心光斑，ω₀＝4.5mm，a＝2.4mm，b＝3mm，ε＝0.8。(a)所对应的f值为f＝18.5cm；(b)所对应的f值为f＝19.5cm，而其空心光斑的空心半径为r＝0.059mm；(c)所对应的f值为f＝20cm，其空心光斑的空心半径为r＝0.175mm；(d)所对应的f值为f＝21cm。

Claims (4)

1.一种空间相干调制的光束整形光学系统，其特征在于：包括依次设置的激光光源、相干度控制系统和聚焦系统。

2.根据权利要求1所述的空间相干调制的光束整形光学系统，其特征在于：相干控制系统包括：第一凸透镜，毛玻璃和可变光阑；聚焦系统包括：第二凸透镜；激光光源为第一凸透镜的入射光源，毛玻璃可转动地设置于第一凸透镜与第二凸透镜之间并位于第一凸透镜的焦点上，毛玻璃后方固定有可变光阑。

3.根据权利要求1所述的空间相干调制的光束整形光学系统，其特征在于：上述毛玻璃通过电机进行驱动。

4.根据权利要求1或2所述的空间相干调制的光束整形光学系统，其特征在于：激光光源与第一凸透镜之间的距离在0-3cm之间；可变光阑与毛玻璃之间距离为0-5mm。

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