专利名称：一种板条波导激光器输出激光束的变换整形方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器输出激光束的变换整形方法，具体讲是一种板条波导激光器输出激光束的变换整形方法。属于激光器领域。
背景技术：
在板条波导激光器中，由于采用非稳腔结构，在平行于板条波导方向是一种非稳腔输出的宽幅类平行光束，在垂直于板条波导方向是一种类高斯分布的波导模激光束，其输出激光光束的横截面是矩形分布。矩形分布的光束限制了板条波导激光器的应用，在很多激光技术应用中，圆对称分布的横截面是激光器的一个非常重要的指标。将矩形光束整形变换成圆对称光束扩大板条波导激光器的应用范围和使用效果。
目前将矩形激光光束整形变换成圆对称光束主要的方法主要有三种，第一种是德国Roffin-Sinar公司采用的方法，由两个球面反射镜，一个柱面反射镜和一个枣核形的小孔光阑构成。该方法对激光光束的横截面尺寸参数有特定的要求，对用于变换整形的各光学元件间的距离也有特定要求。其小孔光阑是枣核形的，不是圆对称的，整个制作方法比较复杂，变换后的光束圆度也比较差。第二种是德国Fraunhofer Institute of Laser Technology提出的方法(Uwe，SPIE，Vol.3267.0277，66-73)，由四个柱面镜和一个非圆对称的小孔光阑构成。该方法是将四个柱面镜两两组合共构成两组望远镜系统，每组望远镜系统分别对激光光束的平行于板条波导方向和垂直于板条波导方向进行整形变换，这种方法制作也较复杂，变换后的光束圆度较差。第三种方法是采用二元光学的方法制作光束变换元件，但在目前的制作水平下，衍射损耗较大。
发明内容
本发明的目的是对板条波导激光器输出激光束进行变换整形，将激光器输出的横截面为矩形的激光光束变换整形成横截面为正方形的光束，为进一步变换为多种横截面形状的光束，特别是所需要尺寸的圆对称的激光光束奠定基础。
本发明是通过两个柱面反射镜或者两个柱面透镜，将横截面为矩形光束的短臂方向扩束，将光束横截面整形为正方形，为进一步变换为多种横截面形状的光束，特别是所需要尺寸的圆对称的激光光束奠定基础。
本发明通过两个柱面反射镜或者两个柱面透镜，成功的将横截面为矩形的光束的短臂方向扩束，将光束横截面变换整形为正方形，再将横截面为正方形的激光光束变换整形为多种横截面形状的光束，特别是所需要尺寸的圆对称的激光光束。
本发明板条波导激光器输出激光束的变换整形的具体方法，是将板条波导激光器波导端口输出的波长为λ，光斑半径为ωX01、ωY01的矩形激光束变换为横截面为正方形的、光斑半径为ωXC2的激光束，其中将所说矩形激光束经过距波导端口距离为L0的、焦距为fYC1的第一柱面反射镜或透镜和距第一柱面反射镜或透镜距离为L1+fYC2的、焦距为fYC2的第二柱面反射镜或透镜，其中，L0＞5cm，fYC1＜L0，RY(L0)=L0×[1+(πωY012λL0)2],---(1)]]>L1=(1fYC1-1RY(L0))(1fYC1-1RY(L0))2+(λπωY2(L0))2,---(2)]]>ωY(L0)=ωY01×1+(L0qY0)2,---(3)]]>qY0=πωY012λ,---(4)]]>ωXC2=ωX01+λ(L0+L1+fYC2)3ωX01,---(5)]]>fYC2=ωXC2×L1ωY(L0)×K1,---(6)]]>
K1∈
，上式中RY(L0)为光束在距波导端口L0处的曲率半径，ωY(L0)为光束在距波导端口L0处的光斑半径，qY0是瑞利长度，K1为调整因子，调整因子是调整实验值和理论值之间差异的系数。
优选方案中，λ∈[8um，12um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。或者λ∈[3um，5um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
本发明更优选的方案是将所说的横截面为正方形、光斑半径为ωXC2的激光束变换成横截面与空间滤波器形状相同的类平行光束，其方法是激光束经过距第二柱面反射镜或透镜距离为L2、焦距为fS1的第三球面反射镜或透镜和距第三球面反射镜或透镜距离为fS1的孔径小于D的空间滤波器后，再经过距空间滤波器距离为fS2、焦距为fS2的第四球面反射镜或透镜，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，ωOB=λfs1πωXC2,---(7)]]>D＝2K2ωOB， (8)K2(0.5，2)，上式中ωOB为在空间滤波器处的腰斑半径，K2为调整因子。
本发明最优选的方案是将所说的横截面为正方形、光斑半径为ωXC2的激光束变换成横截面为圆形、光斑半径为WC的类平行光束，其方法是激光束经过距第二柱面反射镜或透镜距离为L2、焦距为fS1的第三球面反射镜或透镜和距第三球面反射镜或透镜距离为fS1的直径为D的圆形空间滤波器，再经过距空间滤波器距离为fS2、焦距为fS2的第四球面反射镜或透镜，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，ωOB=λfs1πωXC2---(7)]]>D＝2K2ωOB，K2(0.5，2) (8)fS2=WC(fS1+Δ)WXC2,]]>Δ∈(-0.5×fS1，0.8×fS2) (9)上式中ωOB为在空间滤波器处的腰斑半径，K2为调整因子。
本发明的第一柱面反射镜或透镜及第二柱面反射镜或透镜，均采用水冷散热。
本发明的第三柱面反射镜或透镜及第四柱面反射镜或透镜，均采用水冷散热。
本发明方法的有益效果在于1、本发明首先采用两个柱面反射镜或者两个柱面透镜构成的一维扩束系统，将横截面为矩形的光束在短臂方向进行扩束，整形为横截面为正方形的光束，易于后序两维方向的同步整形。
2.本发明整形为横截面正方形的光束可再利用两个球面反射镜或者两个球面透镜构成的二维扩束系统及两镜间的空间滤波器，通过改变空间滤波器小孔光阑的形状，实现多种横截面形状的光束输出，特别是经圆对称形小孔光阑的空间滤波器，得到所需要尺寸的圆度非常好的激光光束。整形后的光束能广泛应用于激光技术领域。
3.本发明能够根据实际需要计算选择变换整形系统的设计参量，操作方法简单易行。
4.本发明所有元器件制作方法比较成熟，加工简单，避免了采用二元光学方法制作复杂的光束变换元件。
5.本发明采用水冷散热装置控制柱面反射镜或者柱面透镜，以及水冷散热装置控制球面反射镜或者球面透镜，能够保证整形变换系统在很高能量条件下稳定工作。
6.本发明的变换整形过程中的衍射损耗小。
图1.变换前后的光斑横截面形状示意图。
A.变换前的光斑横截面形状。
B.通过柱面镜系统后的光斑横截面形状C.变换后的光斑横截面形状图2.经第一柱面反射镜和第二柱面反射镜整形的Y方向光束变换示意图。
1.第一柱面反射镜，2.第二柱面反射镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束，OA为第二柱面反射镜的焦点处。
图3.经第一柱面反射镜和第二柱面反射镜整形的X方向光束变换示意图。
1.第一柱面反射镜，2.第二柱面反射镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束。
图4.经第一柱面反射镜和第二柱面透镜整形的Y方向光束变换示意图。
1.第一柱面反射镜，2.第二柱面透镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束，OA为第二柱面透镜的焦点处。
图5.经第一柱面反射镜和第二柱面透镜整形的X方向光束变换示意图。
1.第一柱面反射镜，2.第二柱面透镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束。
图6.经第一柱面透镜和第二柱面反射镜整形的Y方向光束变换示意图。
1.第一柱面透镜，2.第二柱面反射镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束，OA为第二柱面反射镜的焦点处。
图7.经第一柱面透镜和第二柱面反射镜整形的X方向光束变换示意图。
1.第一柱面透镜，2.第二柱面反射镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束。
图8.经第一柱面透镜和第二柱面透镜整形的Y方向光束变换示意图。
1.第一柱面透镜，2.第二柱面透镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束，OA为第二柱面透镜的焦点处。
图9.经第一柱面透镜和第二柱面透镜整形的X方向光束变换示意图。
1.第一柱面透镜，2.第二柱面透镜，A.激光器波导端口输出的激光束，B.经柱面镜系统后的光束图10经第三球面反射镜和第四球面反射镜整形的Y或X方向光束变换示意图。
1.第三球面反射镜，2.第四球面反射镜，B.经柱面镜系统后的光束，C.经球面镜系统后的光束，OB为第四球面反射镜的焦点处。
图11经第三球面反射镜和第四球面透镜整形的Y或X方向光束变换示意图。
1.第三球面反射镜，2.第四球面透镜，B.经柱面镜系统后的光束，C.经球面镜系统后的光束，OB为第四球面透镜的焦点处。
图12经第三球面透镜和第四球面反射镜整形的Y或X方向光束变换示意图。
1.第三球面透镜，2.第四球面反射镜，B.经柱面镜系统后的光束，C.经球面镜系统后的光束，OB为第四球面反射镜的焦点处。
图13经第三球面透镜和第四球面透镜整形的Y或X方向光束变换示意图。
1.第三球面透镜，2.第四球面透镜，B.经柱面镜系统后的光束，C.经球面镜系统后的光束，OB为第四球面透镜的焦点处。
具体实施例方式
在下面的实施例中进一步说明了本发明，这并不限制本发明的范围。
实施例1在千瓦级射频激励扩散型冷却板条波导CO2激光器中，由于采用了离轴非稳腔，在平行于板条波导方向(X方向)是一种非稳腔输出的类平行光束，而在垂直于板条波导方向(Y方向)是一种类高斯分布的激光束，其输出激光光束横截面在波导端口处是矩形的。在平行于板条波导方向(Y方向)的类平行光束半径ωX01为12mm，在垂直于板条波导方向(Y方向)的类高斯激光束半径ωY01为0.65mm。输出波长为10.6um。变换整形过程如下将焦距fYc1为300mm的第一柱面反射镜放置在波导口A的距离L0处，L0为1400mm。
根据公式(2)和(3)计算得到光束在第一柱面反射镜处的Y方向光斑半径ωY(L0)为7.3mm，Y方向聚焦后的焦点OA距第一柱面反射镜的距离L1为381mm。
根据公式(5)和(6)，取K1＝1，计算得到第二柱面反射镜的焦距fYc2为625mm.第二柱面反射镜距焦点OA的距离为625mm。
光束经过第一柱面反射镜和第二柱面反射镜后整形为光束在为Y方向和X方向均为ωXC2＝12.72的正方形。(参见图2，图3)实施例2板条波导CO2激光器中输出激光束横截面与变换整形方法与实施例1相同，所不同之处在于光束波长为9.6um，焦距fYc1为50mm，L0为55mm，K1＝0.5，第二柱面镜是焦距为fYc2的透镜。参数的计算方法与实施例1相同(参见图4，图5)。
实施例3板条波导固体激光器，输出激光束与变换整形方法与实施例1相同，所不同之处在于光束波长为1.064um，第一柱面镜是透镜焦距fYc1为80mm，L0为500mm，K1＝2。参数的计算方法与实施例1相同。(参见图6，图7)实施例4
板条波导固体激光器，输出激光束与变换整形方法与实施例1相同，所不同之处在于光束波长为1.053um，第一柱面镜是透镜，焦距fYc1为100mm，L0为1000mm，K1＝1，第二柱面镜是焦距为fYc2的透镜。参数的计算方法与实施例1相同。(参见图8，图9)实施例5板条波导CO2激光器中输出激光束横截面与变换整形方法与实施例1相同，所不同之处在于光束波长为10um，焦距fYc1为200mm，L0为4000mm，K1＝0.5，第二柱面镜是焦距为fYc2的透镜。参数的计算方法与实施例1相同。(参见图4，图5)实施例6板条波导固体激光器，输出激光束与变换整形方法与实施例1相同，所不同之处在于光束波长为1.0um，第一柱面镜是透镜，焦距fYc1为100mm，L0为10000mm，K1＝1，第二柱面镜是焦距为fYc2的透镜。参数的计算方法与实施例1相同。(参见图8，图9)实施例7按照实施例1方法整形后的光束在Y方向和X方向均为ωXC2的横截面为正方形的光束，经过放置在L2＝500mm处的，焦距为fs1＝300mm的第三球面反射镜，根据公式(7)计算得到，经过第三球面反射镜后聚焦点OB处ωOB＝0.08mm，根据公式(8)，K2取1.25，可计算得OB处圆形对称的空间滤波器的直径D＝0.2mm，取离焦量Δ＝0，设定需要的光斑半径ωC＝8mm，根据公式(7)和(9)计算得第四球面反射镜的焦距fs2＝200mm，其到OB距离也是200mm。此时光束整形为横截面积为圆形半径ωC＝8mm的光斑。(参见图1，图2，图3，图10)实施例8实施例2方法整形后的光束在Y方向和X方向均为ωXC2的横截面为正方形的光束，按照实施例7的方法继续进行整形，所不同之处在于经过放置在L2＝6mm处的，焦距为fs1＝50cm的第三球面反射镜，K2取2.0，离焦量Δ＝-30，焦距f2＝1000mm的第四球面镜为透镜，参数的计算方法与实施例7相同。(参见图1，图4，图5，图11)实施例9实施例3方法整形后的光束在Y方向和X方向均为ωXC2的横截面为正方形的光束，按照实施例7的方法继续进行整形，所不同之处在于经过放置在L2＝1999mm处的，焦距为fs1＝100cm的第三球面镜为透镜，K2取1.0，离焦量Δ＝390，焦距fs2＝500mm.参数的计算方法与实施例7相同。(参见图1，图6，图7，图12)实施例10实施例4方法整形后的光束在Y方向和X方向均为ωXC2的横截面为正方形的光束，按照实施例7的方法继续进行整形，所不同之处在于经过放置在L2＝1500mm处的，焦距为fs1＝500cm的第三球面镜为透镜，焦距fs2＝5cm的第四球面镜为透镜，K2取1.5，离焦量Δ＝3.8，参数的计算方法与实施例7相同。(参见图1，图8，图9，图13)实施例11实施例1方法整形后的光束在Y方向和X方向均为ωXC2的横截面为正方形的光束，按照实施例7的方法继续进行整形，所不同之处在于经过放置在L2＝1000mm处的，焦距为fs1＝200cm的第三球面镜为透镜，焦距fs2＝700cm的第四球面镜为透镜，K2取1.8，离焦量Δ＝0，参数的计算方法与实施例7相同。(参见图1，图8，图9，图13)实施例12光束整形方法按照实施例7的方法进行，所不同之处在于空间滤波器是边长为D2=0.1mm]]>的正六边形，光束整形为横截面积为正六边形的光斑。(参见图2，图3，图10)实施例13光束整形方法按照实施例8的方法进行，所不同之处在于空间滤波器是边长为D2=0.1mm]]>的正三角形，光束整形为横截面积为正三角形的光斑。(参见图4，图5，图11)实施例14光束整形方法按照实施例9的方法进行，所不同之处在于空间滤波器是边长为D2=0.1mm]]>的正方形，光束整形为横截面积为正方形的光斑。(参见图6，图7，图12)实施例15光束整形方法按照实施例10的方法进行，所不同之处在于空间滤波器是最长的对角线为D＝0.1mm的四边形，光束整形为横截面积为四边形的光斑。(参见图8，图9，图13)
权利要求
1.一种板条波导激光器输出激光束的变换整形方法，其特征在于所说变换整形是将板条波导激光器波导端口输出的波长为λ，光斑半径为ωX01、ωY01的矩形激光束变换为横截面为正方形的、光斑半径为ωXC2的激光束，其中将所说矩形激光束经过距波导端口距离为L0的、焦距为fYC1的第一柱面反射镜或透镜和距第一柱面反射镜或透镜距离为L1+fYC2的、焦距为fYC2的第二柱面反射镜或透镜，其中，L0≥5cm，fYC1＜L0，Rγ(L0)=L0×[1+(πωY012λL0)2],---(1)]]>L1=(1fYC1-1RY(L0))(1fYC1-1RY(L0))2+(λπωY2(L0))2,---(2)]]>ωY(L0)=ωY01×1+(L0qY0)2,---(3)]]>qY0=ωY012λ,---(4)]]>ωXC2=ωX01+λ(L0+L1+fYC2)3ωX01,---(5)]]>fYC2=ωXC2×L1ωY(L0)×K1,---(6)]]>K1∈
.上式中RY(L0)为光束在距波导端口L0处的曲率半径，ωY(L0)为光束在距波导端口L0处的光斑半径，qY0是瑞利长度，K1为调整因子。
2.根据权利要求1的激光束的变换整形方法，其特征在于λ∈[8um，12um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
3.根据权利要求1的激光束的变换整形方法，其特征在于λ∈[3um，5um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
4.根据权利要求1的激光束的变换整形方法，其特征在于将所说的横截面为正方形、光斑半径为ωXC2的激光束变换成横截面与空间滤波器形状相同的类平行光束，其中将所说横截面激光束经过距第二柱面反射镜或透镜距离为L2、焦距为fS1的第三球面反射镜或透镜和距第三球面反射镜或透镜距离为fS1的孔径小于D的空间滤波器后，再经过距空间滤波器距离为fS2、焦距为fS2的第四球面反射镜或透镜，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，ωOB=λfs1πωXC2,---(7)]]>D＝2K2ωOB， (8)K2(0.5，2)，上式中ωOB为在空间滤波器处的腰斑半径，K2为调整因子。
5.根据权利要求1的激光束的变换整形方法，其特征在于将所说的横截面为正方形、光斑半径为ωXC2的激光束变换成横截面为圆形、光斑半径为WC的类平行光束，其中将所说横截面激光束经过距第二柱面反射镜或透镜距离为L2、焦距为fS1的第三球面反射镜或透镜和距第三球面反射镜或透镜距离为fS1的直径为D的圆形空间滤波器，再经过距空间滤波器距离为fS2、焦距为fS2的第四球面反射镜或透镜，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，ωOB=λfs1πωXC2---(7)]]>D＝2K2ωOB，K2(0.5，2) (8)fS2=WC(fS1+Δ)WXC2,Δ∈(-0.5×fS1,0.8×fS2)---(9)]]>上式中ωOB为在空间滤波器处的光斑半径，K2为调整因子。
6.根据权利要求1的激光束的变换整形方法，其特征在于第一柱面反射镜或透镜及第二柱面反射镜或透镜，均采用水冷散热。
7.根据权利要求4或5的激光束的变换整形方法，其特征在于第三柱面反射镜或透镜及第三柱面反射镜或透镜，均采用水冷散热。
全文摘要
本发明涉及一种板条波导激光器输出激光束的变换整形方法。本发明是通过两个柱面反射镜或柱面透镜构成一维方向的扩束系统，将横截面为矩形光束的短臂方向扩束，形成横截面为方形的光束；然后再利用两个球面反射镜或球面透镜形成两维方向的扩束系统，将横截面方形的光束变换成所需要的尺寸；同时在两个球面反射镜或球面透镜的中间焦点附件放置一个圆形或多种形状的空间滤波器，使输出光束的横截面成为圆对称或多种形状。整形后的光束能广泛应用于激光技术领域。
文档编号G02F1/29GK1822449SQ20061000132
公开日2006年8月23日 申请日期2006年1月17日 优先权日2006年1月17日
发明者辛建国, 邬江兴, 张志远, 王伟平 申请人:北京礴德恒激光科技有限公司