一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置

1.本发明涉及激光光场整形匀化装置，尤其涉及一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置。


背景技术：

2.激光已被广泛应用在各个领域，如激光加工、高密度全息存储、惯性约束聚变等。激光束的光强分布一般呈高斯分布，因此称作高斯光束，在上述应用领域，高斯光束的非均匀性直接影响着激光加工能力、存储效果和打靶效果等，如何将高斯光束整形成均匀光束是世界上多个国家科技工作者追求的目标，是当今世界研究的热点之一。
3.目前，高斯光束的传统整形方法有以下四个：
4.方法一，采用衍射光学元件整形，这种方法光能利用率高，但是破坏了光束的相位分布，不能完整表述激光的特性。
5.方法二，扩大激光束的发散角，利用高斯激光光束中心强度变化较缓区域，这种方法的缺陷是光能利用率很低，但保持了激光光束的强度和相位信息。
6.方法三，采用光调制器件，这种方式通过改变光场的偏振度，实现对光场信息的调制，这种方法改变了光的特性，且成本较高。
7.方法四，采用液体反高斯滤光镜，公开号为cn107272213a的中国专利提出了“一种激光束匀化扩束整形装置”，采用液体反高斯滤光镜实现高斯光束整形，但这种方式需要解决液体在高功率激光下形成的对流热晕对光场的干扰以及对液体的稳定密封工艺，防止液体泄漏。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决传统整形方法存在的存在的不能完整表述激光特性、光能利用率低、光场干扰及采用液体整形易泄漏的技术问题，而提供一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置。
9.一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，其特殊之处在于，包括激光器以及沿激光器发射激光的光路方向依次设置的准直镜和反高斯滤光镜；
10.所述反高斯滤光镜包括沿光路依次设置的折射率和球面曲率均相同的平凸透镜和平凹透镜，所述平凹透镜的弧面和平凸透镜的弧面贴合；
11.所述激光器发出的激光光束，经准直镜准直后，形成准直光束；
12.所述准直光束依次经平凸透镜和平凹透镜后，形成光场均匀的准直激光束；
13.所述平凸透镜的吸收系数α、平凸透镜的凸面曲率半径r和经准直后入射到反高斯滤光镜上的高斯激光束宽为ω满足：α＝4r/ω2。
14.进一步地，所述平凸透镜为吸收玻璃磨制的透镜，平凹透镜为光学玻璃磨制的透镜。
15.本发明相比于现有技术的有益效果为：
16.1、本发明提供的一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，利用折射率和曲率均相同的平凸透镜和平凹透镜组成反高斯滤光镜，通过公式α＝4r/ω2控制平凸透镜的吸收系数α、平凸透镜的凸面曲率半径r和准直光束的激光束宽ω三个参数的取值实现对高斯激光的匀化整形，为高斯光束提供了系统结构简单、性能稳定、成本低廉的整形装置和方法。
17.2、本发明提供的一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，采用反高斯滤光镜，使高斯光束转化为均匀性较好的平顶高斯光束，整形后的激光相位信息未变，偏振信息未变，提高了整形时光能的转换率。
附图说明
18.图1为本发明一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置的结构示意图；
19.图2为本发明实施例中反高斯滤光镜的结构示意图。
20.具体附图标记为：
21.1-激光器；2-准直镜；
22.3-反高斯滤光镜，31-平凸透镜，32-平凹透镜。
具体实施方式
23.如图1所示，一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，包括激光器1以及沿激光器1发射激光的光路方向依次设置的准直镜2和反高斯滤光镜3。反高斯滤光镜3为全固态，包括沿光路依次设置的折射率和球面曲率均相同的平凸透镜31和平凹透镜32，平凸透镜31为吸收玻璃磨制的透镜，平凹透镜32为光学玻璃磨制的透镜。平凹透镜32的弧面和平凸透镜31的弧面贴合，平凸透镜31靠近准直镜2设置。工作时，激光器1发出的激光光束，经准直镜2准直后形成准直光束，准直光束依次经平凸透镜31和平凹透镜32后，形成光场均匀的准直激光束。
24.如图2所示，为反高斯滤光镜3的结构示意图，其具体整形原理如下：
25.反高斯滤光镜3距离平凸透镜31光轴r处的径向透过率t(r)为：
26.t(r)＝exp[-αl(r)]≈t
0 exp[αr2/2r]
[0027]
其中，α为平凸透镜31的吸收系数，r为平凸透镜31的凸面曲率半径，l(r)为距离平凸透镜31光轴r处的平凸透镜31的厚度。
[0028]
反高斯滤光镜3中心处的径向透过率t0为：
[0029]
t0＝exp[-αl0]
[0030]
其中，l0为平凸透镜31中心厚度。
[0031]
反高斯滤光镜3径向透过率呈反高斯分布，经准直后入射到反高斯滤光镜3上的高斯激光束宽为ω，凸透镜31的通光口径大于高斯激光束宽为ω。光束中心强度为i0，径向强度为高斯分布：
[0032]
ir＝i0exp[-2r2/ω2]
[0033]
其中，i0为准直光束中心强度；
[0034]
通过反高斯滤光镜3后，激光光束强度变为：
[0035]
i(r)≈i0t0exp[αr2/2r-2r2/ω2]
[0036]
由上式可知，当αr2/2r-2r2/ω2为零时，即平凸透镜31的吸收系数α、平凸透镜31的凸面曲率半径r和准直光束的激光束宽ω的值满足α＝4r/ω2时，经准直后入射到反高斯滤光镜3上的高斯激光束强度均匀分布，此时，i(r)≈i0t0。
[0037]
因此工程应用时，采用上述反高斯滤光镜3，通过公式α＝4r/ω2控制平凸透镜31的吸收系数α、平凸透镜31凸面曲率半径r以及激光束宽ω三个参数的取值来实现对高斯光束的匀化整形。通常根据工程应用需要，反高斯滤光镜3先确定其平凸透镜31选用的吸收玻璃，其选用的吸收玻璃材料确定后平凸透镜31的吸收系数α即为定值，通过需要入射的高斯激光的激光束宽ω来确定平凸透镜31凸面曲率半径r的取值，最终使通过反高斯滤光镜3的高斯激光束强度均匀分布。
[0038]
如在某激光工作波段，高斯激光束宽为ω为50mm，反高斯滤光镜3中平凸透镜31材料吸收系数α为0.3，则反高斯滤光镜中平凸透镜31凸面曲率半径r为187.5mm，光束透过反高斯滤光镜3后，光场分布为均匀分布。
[0039]
本发明采用反高斯滤光镜3，使高斯光束转化为均匀性较好的平顶高斯光束，整形后的激光相位信息未变，偏振信息未变，提高了整形时光能的转换率；同时为高斯光束的整形提供了系统结构简单、性能稳定、成本低廉的装置和方法。


技术特征：
1.一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，其特征在于：包括激光器(1)以及沿激光器(1)发射激光的光路方向依次设置的准直镜(2)和反高斯滤光镜(3)；所述反高斯滤光镜(3)包括沿光路依次设置的折射率和球面曲率均相同的平凸透镜(31)和平凹透镜(32)，所述平凹透镜(32)的弧面和平凸透镜(31)的弧面贴合；所述激光器(1)发出的激光光束，经准直镜(2)准直后，形成准直光束；所述准直光束依次经平凸透镜(31)和平凹透镜(32)后，形成光场均匀的准直激光束；所述平凸透镜(31)的吸收系数α、平凸透镜(31)的凸面曲率半径r和经准直后入射到反高斯滤光镜(3)上的高斯激光束宽为ω满足：α＝4r/ω2。2.根据权利要求1所述一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，其特征在于：所述平凸透镜(31)为吸收玻璃磨制的透镜，平凹透镜(32)为光学玻璃磨制的透镜。

技术总结
本发明提供的一种基于全固态反高斯滤光镜的激光光场均匀性整形装置，用以解决传统整形方法存在的不能完整表述激光特性、光能利用率低、光场干扰及采用液体整形易泄漏的技术问题。本发明的整形装置包括激光器以及沿激光器发射光路方向依次设置的准直镜和反高斯滤光镜；反高斯滤光镜包括沿光路依次设置的折射率和球面曲率均相同的平凸透镜和平凹透镜，所述平凹透镜的弧面和平凸透镜的弧面贴合；激光器发出的激光光束，经准直镜准直后，形成准直光束；准直光束依次经平凸透镜和平凹透镜后，形成光场均匀的准直激光束；平凸透镜的吸收系数α、平凸透镜的凸面曲率半径R和经准直后入射到反高斯滤光镜上的高斯激光束宽为ω满足：α＝4R/ω2。。。


技术研发人员：陈永权 郑小霞 达争尚 李红光 李铭
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/9/16