本發(fā)明屬于激光光束整形技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種反射式激光光束整形裝置。

背景技術(shù)：

激光的優(yōu)點(diǎn)在于良好的方向性、單色性和相干性。在激光應(yīng)用的許多場合，例如激光打孔、焊接、切割以及激光醫(yī)療等微精密加工中，都希望激光輸出模式為基模的同時獲得高功率的輸出光。傳統(tǒng)選模技術(shù)(如使用孔徑光闌)可以使激光器輸出的光束質(zhì)量提高，但使用孔徑光闌在很大程度上限制了模體積，增加了功率損耗，這就限制了輸出光的功率。

高功率激光器件設(shè)計的關(guān)鍵是在如何保證高光束質(zhì)量的同時，獲得盡可能高的輸出功率。對于大增益區(qū)激光器，如高功率橫流co2激光器，當(dāng)使用單折的球面鏡穩(wěn)定腔時，其優(yōu)勢是可以獲得高功率的激光輸出，不足的是輸出的激光模式是高階模，光束質(zhì)量m²因子較大，一般只能用于激光淬火、激光熔覆等表面處理的加工工藝中。當(dāng)激光器使用小孔光闌選模或使用折疊腔時，可以獲得低階模或準(zhǔn)基模的輸出，但這樣卻在很大程度上減少了模體積，從而使得激光輸出功率大大降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種反射式激光光束整形裝置，旨在解決現(xiàn)有激光光束整形裝置直接用小孔光闌進(jìn)行整形導(dǎo)致激光輸出功率低且激光質(zhì)量不高的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種反射式激光光束整形裝置，包括：

相位調(diào)制鏡，用于對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制處理后再進(jìn)行聚焦處理輸出第一激光，第一激光的中心主峰的相位與第一激光的次級小峰的相位相同；

光闌，其位于相位調(diào)制鏡的焦點(diǎn)處，其孔徑與第一激光的中心主峰的寬度相同，用于對第一激光進(jìn)行過濾處理，輸出過濾后激光，過濾后激光中僅存在中心主峰。

本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，由相位調(diào)制鏡對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制處理和聚焦處理，經(jīng)過相位調(diào)制處理后激光的中心主峰相位與次級小峰相位相同，使得激光功率分布均勻，經(jīng)過相位調(diào)制處理后激光再次進(jìn)行聚焦處理，使得第一激光的中心主峰幅值增大。經(jīng)過第一激光進(jìn)入光闌，光闌孔徑與第一激光的中心主峰寬度相同，保留第一激光的中心主峰，因此，由光闌輸出激光功率和光束質(zhì)量均有提高。

優(yōu)選地，相位調(diào)制鏡設(shè)有相間排列的多個凹反射面和多個凸反射面；凹反射面用于接收并反射入射激光的任意峰，凸反射面用于接收并反射光中任意峰；當(dāng)凹反射面與凸反射面相鄰時，由該凹反射面反射的入射激光的峰與由該凸反射面反射的入射激光的峰相鄰；兩個相鄰的凸反射面與凹反射面的高度差使入射激光中兩個相鄰峰的光程差為入射激光波長的整數(shù)倍。

當(dāng)入射激光射入相位調(diào)制鏡后，入射激光的一個峰射入相位調(diào)制鏡的凹反射面，該峰的相鄰峰射入與該凹反射面相鄰的凸反射面，由于凸反射面高于凹反射面，且兩個相鄰的凸反射面與凹反射面的高度差使入射激光中兩個相鄰峰的光程差為入射激光波長的整數(shù)倍，進(jìn)而實現(xiàn)由相位調(diào)制鏡反射的第一激光的中心主峰的相位與第一激光的次級小峰的相位相等。

優(yōu)選地，相位調(diào)制鏡中，入射激光與任意一個凹反射面的法線之間的夾角和入射激光與任意一個凸反射面的法線之間的夾角相等，且凹反射面與凸反射面的高度差滿足公式

其中，δ為兩個相鄰的凹反射面與凸反射面之間的高度差，λ為入射激光的波長，k為正整數(shù)，θ為入射激光與凹反射面的法線之間的夾角。

優(yōu)選地，反射式激光光束整形裝置還包括準(zhǔn)直鏡，光闌位于準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)處，準(zhǔn)直鏡用于對過濾后激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理，輸出準(zhǔn)直后激光，減少發(fā)散角。

優(yōu)選地，準(zhǔn)直鏡為反射式準(zhǔn)直鏡。

優(yōu)選地，相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡的反射面上均鍍有增反膜。

優(yōu)選地，相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡為拋物面鏡，用于使相位調(diào)制鏡輸出第一激光和準(zhǔn)直鏡輸出的激光不存在球差。

優(yōu)選地，相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡的內(nèi)部都設(shè)有環(huán)形水冷通道，通過環(huán)形水冷通道降低相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡的溫度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下的增益效果：

1、本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，通過對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制處理，使第一激光的中心主峰相位與次級小峰相位相同，激光功率分布均勻，并對調(diào)制后激光進(jìn)行聚焦處理，提高第一激光中心主峰功率，再將第一激光通過尺寸與第一激光的中心主峰寬度相同的光闌，保留集中了激光能量的90％的中心主峰，減少了光束整形過程中能量的損耗，盡可能的保留了輸出激光的能量，且輸出的激光近似為基模高斯光束，可獲得高能量和高質(zhì)量的輸出光。

2、本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，由于采用反射面為高度不同的凹反射面和凸反射面的相位調(diào)制鏡，由于凸反射面高于凹反射面，且兩個相鄰的凸反射面與凹反射面的高度差使入射激光中兩個相鄰峰的光程差為入射激光波長的整數(shù)倍，進(jìn)而實現(xiàn)由相位調(diào)制鏡反射的第一激光的中心主峰的相位與第一激光的次級小峰的相位相等，該相位調(diào)制鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

3、本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，由于相位調(diào)制鏡與準(zhǔn)直鏡均為反射式結(jié)構(gòu)，所以相對于透射式激光光束整形裝置，大大縮短了裝置的長度。

4、本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡的內(nèi)部都設(shè)有環(huán)形水冷通道，通過環(huán)形水冷通道降低相位調(diào)制鏡和準(zhǔn)直鏡的溫度，所以相對于透射式激光光束整形系統(tǒng)來說，能適用于高功率激光器。

5、本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置，可用于激光器外部對激光進(jìn)行整形，從而不破壞激光器內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)，而且可以針對具體激光器的輸出模式對相位調(diào)制鏡的反射面進(jìn)行調(diào)整，從而獲得所需要的激光束；本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置適用范圍廣，同時結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中相位調(diào)制鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖(a)為相位調(diào)制鏡的立體圖，圖(b)為相位調(diào)制鏡的側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中入射激光模式分布圖；其中，圖(a)為入射激光振幅與位置關(guān)系的立體圖，圖(b)為入射激光橫截面上的振幅、相位與位置關(guān)系的二維圖；

圖4為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中第一激光橫截面上的振幅、相位與位置關(guān)系的二維圖；

圖5是本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中第一激光的模式分布示意圖；其中，圖(a)為第一激光振幅與位置關(guān)系的立體圖，圖(b)為第一激光橫截面上的振幅與位置關(guān)系的二維圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為相位調(diào)制鏡，11為凸反射面，12為凹反射面，2為光闌，3為準(zhǔn)直鏡，4為環(huán)形水冷通道，51為激光束一個節(jié)線上的峰，52為激光束另一個節(jié)線上的峰。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，但并不限定于本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明目的在于在通過本發(fā)明提供的激光光束整形裝置將激光器輸出的高階模激光轉(zhuǎn)換為基模激光，在盡可能保證激光輸出功率的前提下，大大提高了輸出激光的光束質(zhì)量。

本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置的第一實施例，包括相位調(diào)制鏡以及光闌，相位調(diào)制鏡對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制處理后并進(jìn)行聚焦處理輸出第一激光，光闌位于相位調(diào)制鏡的焦點(diǎn)處，且光闌的孔徑與第一激光的中心主峰的寬度相同。由相位調(diào)制鏡對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制處理并進(jìn)行聚焦處理，使經(jīng)相位調(diào)制鏡輸出的第一激光的中心主峰相位與第一激光的次級小峰相位相同，激光能量均勻，且主峰幅值得到增加，第一激光進(jìn)入光闌，光闌孔徑與第一激光的中心主峰寬度相同，保留第一激光的中心主峰，進(jìn)而實現(xiàn)在盡可能保證激光輸出功率的前提下，大大提高輸出激光的光束質(zhì)量。

圖1為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括相位調(diào)制鏡1、光闌2和準(zhǔn)直鏡3。相位調(diào)制鏡1的反射面上設(shè)有多個凸反射面11和多個凹反射面12，凹反射面和凸反射面的總數(shù)根據(jù)入射激光的模式來調(diào)整，入射激光模式的徑向節(jié)線數(shù)目與凹反射面和凸反射面總數(shù)相等。凸反射面11與凹反射面12相間排布，凸反射面11高于凹反射面12。一個凸反射面11用于接收位于一個節(jié)線上的峰51，一個凹反射面12用于接收位于一個節(jié)線上的峰52，當(dāng)凹反射面與凸反射面相鄰時，由該凹反射面反射的入射激光的峰與由該凸反射面反射的入射激光的峰相鄰。光闌2位于相位調(diào)制鏡1的焦點(diǎn)，且光闌2的孔徑與經(jīng)過相位調(diào)制鏡輸出的第一激光的中心主峰寬度相同。光闌2位于準(zhǔn)直鏡3的焦點(diǎn)處。在相位調(diào)制鏡1和準(zhǔn)直鏡3上均設(shè)有環(huán)形水冷通道4，通過環(huán)形水冷通道4降低相位調(diào)制鏡1的溫度和準(zhǔn)直鏡3的溫度。

圖2為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中相位調(diào)制鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖(a)為相位調(diào)制鏡的立體圖，凸反射面11和凹反射面12均為類橢圓型環(huán)面，圖(b)為相位調(diào)制鏡的側(cè)視圖；凸反射面11和凹反射面12的高度差為δ。

入射激光可能有多種不同模式分布。以下以入射激光的一種模式分布情況為例，對本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置實施例進(jìn)行激光整形原理進(jìn)行描述；對其他模式的入射激光的整形可以在示例基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

圖3(a)為入射激光振幅與位置關(guān)系的立體圖，x軸為沿x軸方向距離光軸中心的位置，y軸為沿y軸方向距離光軸中心的位置圖，z軸為歸一化振幅；(b)為入射激光橫截面上的振幅、相位與位置關(guān)系的二維圖，橫軸是距離光軸中心的位置，縱軸是歸一化振幅，上方曲線代表沿橫截面直徑方向的振幅分布，下方數(shù)值代表沿橫截面直徑方向的相位分布。由圖3可知，入射激光在不同位置的振幅不同，相位也不同；處于光軸上的波峰的峰值最大，為該入射激光的中心主峰，相位為0，遠(yuǎn)離光軸的波峰的峰值變小，為該入射激光的次級小峰，從左至右，相位依次為0、π、π、0。

由于采用反射面為高度不同的凹反射面和凸反射面的相位調(diào)制鏡，當(dāng)入射激光的中心主峰射入凸面時，位于中心主峰左邊且相位為0的次級小峰射入凸面，位于中心主峰左邊且相位為π的次級小峰射入凹面，位于中心主峰右邊且相位為0的次級小峰射入凸面，位于中心主峰右邊且相位為π的次級小峰射入凹面，由于兩個相鄰的凸反射面與凹反射面的高度差使入射激光中兩個相鄰峰的光程差為入射激光波長的整數(shù)倍，通過讓兩個相鄰峰的經(jīng)歷的光程相差入射激光波長的整數(shù)倍，實現(xiàn)由相位調(diào)制鏡反射的第一激光的中心主峰的相位與第一激光的次級小峰的相位相等。另外，相位調(diào)制鏡對入射激光進(jìn)行相位調(diào)制后進(jìn)行聚焦處理，使得輸出的第一激光主峰幅值增大。

圖4為本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中第一激光橫截面上的振幅、相位與位置關(guān)系的二維圖；上方曲線代表第一激光沿橫截面直徑方向的振幅分布，而下方數(shù)值代表第一激光沿橫截面直徑方向的相位分布，可以看出，與圖3(b)相比較而言，主峰振幅增大，而相位達(dá)成一致。

圖5(a)為過濾后激光振幅與位置關(guān)系的立體圖，x軸為沿x軸方向距離光軸中心的位置，y軸為沿y軸方向距離光軸中心的位置圖，z軸為歸一化振幅；圖5(b)為過濾后激光橫截面上的振幅與位置關(guān)系的二維圖，橫軸是距離光軸中心的位置，縱軸是歸一化振幅。經(jīng)過第一激光經(jīng)過光闌過濾，由于光闌2的孔徑與經(jīng)過相位調(diào)制鏡輸出的第一激光的中心主峰寬度相同，次級小峰被光闌阻擋，中心主峰則可順利通過光闌2的通光孔，因此，由光闌輸出的過濾后激光僅保留中心主峰，沒有次級小峰。

過濾后激光射入準(zhǔn)直鏡3，由準(zhǔn)直鏡3進(jìn)行準(zhǔn)直處理，輸出準(zhǔn)直后激光，準(zhǔn)直后激光具有發(fā)散角小、模式單一且功率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于例如激光打孔、焊接、切割以及激光醫(yī)療等微精密加工中。

本發(fā)明提供的反射式激光光束整形裝置第二實施例中，相位調(diào)制鏡為采用金剛石超精車加工而成的拋物面鏡，且相位調(diào)制鏡上鍍有增反膜，鍍有增反膜可以提高第一激光的光功率，當(dāng)入射激光射相位調(diào)制鏡上時，入射激光與任意一個凹反射面的法線之間的夾角和入射激光與任意一個凸反射面的法線之間的夾角相等，且凹反射面與凸反射面的高度差滿足如下公式時：

經(jīng)過相位調(diào)制鏡反射后的第一激光的中心主峰的相位與次級小峰的相位相同；即兩個相鄰的凸反射面與凹反射面的高度差使入射激光中兩個相鄰峰的光程差為入射激光波長的整數(shù)倍。上述公式中，δ為兩個相鄰的凹反射面與凸反射面之間的高度差，λ為入射激光的波長，k為正整數(shù)，θ為入射激光與凹反射面的法線之間的夾角。

光闌位于相位調(diào)制鏡的焦點(diǎn)處，光闌中心部位有可透光的光孔，光闌可透光的光孔孔徑與第一激光中心主峰寬度相同，第一激光的中心主峰可以從光孔穿過，次級小峰則被小孔光闌濾過。準(zhǔn)直鏡3也為拋物面鏡，能夠使由準(zhǔn)直鏡3輸出的準(zhǔn)直后激光不存在球差，準(zhǔn)直鏡3的焦點(diǎn)也在小孔光闌2處，相位調(diào)制鏡1的出射光經(jīng)過小孔光闌2整形、匯聚后，再通過準(zhǔn)直鏡3進(jìn)行準(zhǔn)直，得到最終的輸出光束。準(zhǔn)直鏡選用反射式準(zhǔn)直鏡，且準(zhǔn)直鏡3的反射面鍍有增反膜，鍍有增反膜可以提高準(zhǔn)直后激光的光功率，相對于透射式激光光束整形裝置，反射式激光光束整形裝置，大大縮短了整體系統(tǒng)的長度。

輸入激光通過實施例提供的這種反射式激光光束整形裝置后，輸出激光的模式單一，截面光斑能量分布連續(xù)，并且輸出激光的發(fā)散角更小，輸出光束的方向性更好。在激光器輸出高功率高階模激光的基礎(chǔ)上，通過本發(fā)明提供的上述反射式激光光束整形裝置將高階模轉(zhuǎn)換為近似基模輸出；該激光光束整形裝置可以在盡可能保證激光光束能量的前提下，獲得更多的近似基模輸出光束；并且該裝置應(yīng)用于激光器外，可針對具體的輸出激光模式，調(diào)整其各項參數(shù)，獲得實際所需要的輸出光束。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。