CN204679716U - 利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，该装置包括依次相连的扩束准直镜组、光偏振及检偏组和扩束滤波透镜组。本实用新型不仅结构简单，而且能对不同类型的光束进行整形。

Description

利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置

技术领域

本实用新型涉及一种将高斯光束整形为平行平顶光束的装置，通过整形生成的平顶光束可以利用到显微照明。该装置属于激光光学领域。

背景技术

随着技术的发展，激光的应用领域越来越广泛，但是由于激光的光强呈高斯分布，而且传播路径为双曲线，所以在一些需要光强分布均匀的平顶光束进行处理的领域其应用得到了限制，比如一些特殊的激光加工领域、激光惯性核聚变、激光照明等领域。现有的光束整形方法有非球面透镜组法、衍射光学元件法、双折射透镜组法等，这些方法可以获得较好的整形结果，但是元件价格比较昂贵，尤其加工比价困难，而且成品只能对特定光束进行整形，灵活度较低。

发明内容

针对现有的技术缺陷和对平顶光束准直性要求的提高，本实用新型提出了利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，该装置不仅结构简单，而且能对不同类型的光束进行整形。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，包括依次相连的扩束准直镜组、光偏振及检偏组和扩束滤波透镜组。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，所述的扩束准直镜组包括第一凸透镜和第二凸透镜。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，两凸透镜的主光轴重合，两凸透镜透镜中心的距离为两者的焦距之和，同时光线入射的第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，所述光偏振及检偏组包括为偏振方向都是水平的第一偏振片和第二偏振片，以及反射型液晶空间光调制器。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，两偏振片轴线重合，反射型液晶空间光调制器接有液晶控制装置。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，所述的扩束滤波透镜组包括第三凸透镜和第四凸透镜，以及放置在两凸透镜之间的光阑。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，两凸透镜者的主光轴重合，两凸透镜透镜中心的距离为两者的焦距之和，光阑的阑孔位于两凸透镜共同焦点位置上。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，所述的光阑的阑孔为圆形小孔光阑(最大孔径为2mm)，且小孔光阑的孔径大小可调。

所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，所述的各个凸透镜的端面都镀有增透膜。

本实用新型的有益效果是，能够将高斯光束整形为平顶光束，同时装置结构简单，能用于不同类型的高斯光束，从而使该装置适用范围更加广泛。本装置通过末端准直部分能得到发散角很小的平行平顶光束。

附图说明

图1为激光光束整形装置的结构示意图。

图2为激光高斯光束的强度分布图。

图3为空间光调制器的液晶表面结构图。

图中，a表示液晶空间光调制器的液晶表面每个像素点的长度，b表示液晶表面相邻像素点的距离。

图4为平顶光束的强度分布图。

图中，1：第一凸透镜；2：第二凸透镜；3：第一偏振片(起偏器)；4：反射型液晶空间光调制器(液晶面板)；5：第二偏振片(检偏器)；6：第三凸透镜；7：光阑；8：第四凸透镜；9：液晶控制装置。

图2、图4中，横坐标表示光束截面上的点相对光束中心位置的坐标，纵轴表示归一化光强，即归一化后的光束强度分布。

具体实施方式

本实用新型设计了一种利用偏振特性实现整形的装置，空间光调制器的液晶控制装置控制液晶空间光调制器液晶面上不同位置的折射率，进而实现对光束各点偏振态的改变，再通过检偏器后就能生成平顶光束。本实用新型整形范围广，最终能在输出端得到平行平顶光束。

本实用新型利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，由三大部分构成：依次为扩束准直镜组、光偏振及检偏组、扩束滤波透镜组。

所述的扩束准直镜组位于输入高斯光束之后，它是由两个凸透镜构成，且两透镜的距离为两透镜焦距之和，光束在扩束(增大激光器发出的高斯光束的腰斑半径)的同时，其发散角减小，光束得到了准直。

所述的光偏振及检偏组是由两个偏振片及液晶空间光调制器构成，两偏振片的偏振方向都是水平偏振，其中第一片偏振片是为了确保入射到空间光调制器的光束偏振方向是水平方向。

空间光调制器在光路中位于两偏振片之间，空间光调制器是一种电控光调制器器件，其液晶表面由许多液晶分子组成，每个液晶分子都是被一个独立的电压信号控制，当施加电信号后，由于电场的作用，液晶分子被极化，从而使得空间光调制器的液晶表面晶胞空间排列发生变化，进而使得液晶的双折射率发生变化，当施加电压信号改变时，光束的偏振态即得到改变。因此只需通过在空间光调制的控制系统中输入控制电压的灰度图，即可实现对光束偏振态的改变。高斯光束的光强特点是中间强，边缘弱，所以可以通过控制空间光调制器，让该光束中心部分偏振态发生较大改变，而边缘部分改变较小，通过检偏器进行光束的整形后，中心部分光强损失较大，而边缘部分光强损失较小，从而使光束在一定范围内各处光强将相等，最终生成平顶光束。

所述的扩束滤波透镜组由两个凸透镜及一个光阑构成，由于空间光调制器工作面比较小，所以在光偏振及检偏组后加入两透镜进行扩束，在扩束的同时实际也起到了准直的作用，同时在两透镜共同焦点的位置加入一个光阑，对光束截面强度起伏起到平滑作用。最终得到准直性较好的平行平顶光。

下面结合附图对本装置进行进一步的说明。

如图1所示，光束整形装置分为三个部分，分别是为扩束准直镜组、光偏振及检偏组、扩束滤波透镜组。反射型液晶空间光调制器4的液晶面板如图3所示，其外观上看表面分布着许多独立的像素点，而其内部构造则主要由液晶面和透明电极构成，其中液晶面主要是由多层液晶分子构成，液晶分子在不同电压大小的控制下偏转角度不同，使得液晶分子的折射率发生改变，因而对光束相位调制能力不同，进而对光束各点偏转态改变不同；而透明电极则是由许多各自独立的电压控制线路构成，而且该线路不影响光束的传播，每个电压控制线路控制液晶面板上一个像素点，因此可以独立设置每个像素点的控制电压，进而使每个像素点上液晶分子的有不同于其它像素点的偏转量，使得光束各点通过不同像素点位置时，偏振态的改变也不同。而在液晶控制装置9中输入能表征控制各像素点的电压灰度图，即可实现对各像素点的电压控制，现在市场上的空间光调制器种类很多，比如德国Holoeye公司生产的PLUTO-BB型空间光调制器，即可实现利用灰度图控制入射到液晶表面光束各点的相位改变量。其中第一凸透镜1和第二凸透镜2构成了光扩束准直镜组；第一偏振片3，第二偏振片5，以及反射型液晶空间光调制器4及其液晶控制装置9构成了光偏振及检偏组；第三凸透镜6与第四凸透镜8及小孔光阑7构成了扩束滤波透镜组。

入射到装置的光为高斯光束，首先经扩束准直镜组，高斯光束的腰斑与第一凸透镜1的距离应远大于该透镜的焦距，此时高斯光束将聚焦于第一凸透镜1的焦面上，由于第二凸透镜2的焦面与第一凸透镜1的焦面重合，所以该光束被第二凸透镜2扩束与准直，高斯光束的发散角明显减小，光斑半径明显增大，扩束后的高斯光束经过偏振方向水平的第一偏振片3后，成为线偏振光，且偏振方向水平，然后经过反射型液晶空间光调制器4，其液晶面板的基本结构如图3所示，它由许多的像素点构成，每个像素点由一个独立的电压控制，由液晶控制装置9调节每个像素点的电压值，进而改变每个像素点的折射率，从而让光束通过空间光调制器液晶面4后，不同位置的偏振态发生不同改变，让光束中心偏振态改变较大，而边缘偏振态改变较小，再经过偏振方向水平第二偏振片5(检偏器)，由于光束中心的偏振态偏离水平方向较大，故光强损失较大，而边缘偏振态基本不变，所以通过偏振片光强损失较小，即可得到平顶光束。生成的平顶光束再经过扩束滤波透镜组，让光束进一步准直，其基本原理同扩束准直镜组准直原理相同，而在第三凸透镜6和第四凸透镜8之间所设置的小孔光阑7，小孔光阑位于两透镜的共同焦点处，通过小孔光阑的滤波作用，能够消除光束边缘一些光束分布不均匀的噪声信号，对平顶光束强度起伏起到平滑的作用。最终通过透镜8之后的输出光束为平行平顶光束。

该装置结构简单，灵活性很高，通过空间光调制器，以及检偏器的旋转，能将各种高斯光束整形为平行平顶光束。

Claims (9)

1.利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：包括依次相连的扩束准直镜组、光偏振及检偏组和扩束滤波透镜组。

2.根据权利要求1所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：所述的扩束准直镜组包括第一凸透镜（1）和第二凸透镜（2）。

3.根据权利要求2所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：两凸透镜的主光轴重合，两凸透镜透镜中心的距离为两者的焦距之和，同时光线入射的第一凸透镜（1）的焦距小于第二凸透镜（2）的焦距。

4.根据权利要求1所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：所述光偏振及检偏组包括为偏振方向都是水平的第一偏振片（3）和第二偏振片（5），以及反射型液晶空间光调制器（4）。

5.根据权利要求4所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：两偏振片轴线重合，反射型液晶空间光调制器（4）接有液晶控制装置（9）。

6.根据权利要求1所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于，所述的扩束滤波透镜组包括第三凸透镜（6）和第四凸透镜（8），以及放置在两凸透镜之间的光阑（7）。

7.根据权利要求6所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：两凸透镜者的主光轴重合，两凸透镜透镜中心的距离为两者的焦距之和，光阑(7)的阑孔位于两凸透镜共同焦点位置上。

8.根据权利要求7所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于，所述的光阑(7)的阑孔为圆形小孔光阑，且小孔光阑的孔径大小可调。

9.根据权利要求2～3、6～7中任一项所述的利用偏振特性生成平行平顶光束的整形装置，其特征在于：所述的各个凸透镜的端面都镀有增透膜。