技術(shù)領(lǐng)域:

本發(fā)明涉及一種激光擴(kuò)束整形裝置，尤其涉及一種高均勻激光束勻化擴(kuò)束整形裝置。

背景技術(shù)：
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激光已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如激光加工、高密度全息存儲(chǔ)、慣性約束核聚變等，激光束的光強(qiáng)分布一般呈高斯分布而非均勻分布。在上述應(yīng)用領(lǐng)域，光束的非均勻性直接影響著激光加工能力、存儲(chǔ)效果和打靶效果等，如何將高斯光束整形成均勻光束是世界上多個(gè)國(guó)家科技工作者追求的目標(biāo)，是按當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)整形方案主要有以下三類:

一，采用衍射光學(xué)元件整形，這種方法光能利用率高，但是破壞了光束的相位分布，不能完整反應(yīng)激光的特性。

二，擴(kuò)大激光束的發(fā)散角，采用激光高斯光束中心區(qū)域的光耦合利用，這種方法保持了光束的相位信息，缺陷是光能利用率很低。

三，采用光調(diào)制器件，這種方式一般通過(guò)改變光場(chǎng)的偏振度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)信息的調(diào)制，這種方法也改變了光的特性，且成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提出一種激光束勻化擴(kuò)束整形裝置，提高了高斯光束的均勻性，保持了光束的相位信息，且不改變激光束的偏振度。

本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案如下：

該激光束勻化擴(kuò)束整形裝置，主要由沿光軸依次設(shè)置的激光器、準(zhǔn)直鏡、整形鏡和準(zhǔn)直物鏡組成；其中，整形鏡包括平板玻璃、吸收液體和物鏡，所述吸收液體被封閉充滿在平板玻璃與物鏡之間，物鏡與吸收液體接觸的面為球面，吸收液體的折射率與物鏡的折射率系數(shù)相同，吸收液體的吸收系數(shù)成反高斯分布，激光束經(jīng)過(guò)整形鏡的平板玻璃和吸收液體后，再經(jīng)整形鏡的物鏡以及所述準(zhǔn)直物鏡后，成擴(kuò)束的均勻平頂高斯光束。

基于以上方案，本發(fā)明還做了以下重要優(yōu)化設(shè)計(jì)：

所述整形鏡與準(zhǔn)直物鏡的口徑匹配；擴(kuò)束倍率由整形鏡的焦距和準(zhǔn)直物鏡的焦距決定，滿足：系統(tǒng)的擴(kuò)束倍率為f2：f1，其中f1為整形鏡的焦距，f2為準(zhǔn)直物鏡的焦距。

所述整形鏡按照以下計(jì)算式配置：

設(shè)準(zhǔn)直的束寬為ω，物鏡與吸收液體接觸面的曲率半徑為ρ，吸收液體的吸收系數(shù)為吸收液體的半徑為a，離物鏡光軸為r處的液體厚度為l(r)，則該處的透過(guò)率t(r)為：

t(r)＝exp[-αl(r)](1)

式中為吸收液體中心厚度。

所述吸收液體采用有機(jī)溶液。

所述平板玻璃由熔石英制成。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

利用激光器、準(zhǔn)直鏡、整形鏡、準(zhǔn)直物鏡的特定組合，并結(jié)合吸收液體整形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯激光的勻化擴(kuò)束整形，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、性能穩(wěn)定、成本低廉。

采用該裝置，使均勻性相對(duì)較低的高斯光束轉(zhuǎn)化為均勻性較好的平頂高斯光束，整形擴(kuò)束后的激光相位信息未變，偏振信息未變，整形時(shí)光能的轉(zhuǎn)換效率高。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中整形鏡的細(xì)部放大圖。

附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明：

1-激光器；2-準(zhǔn)直鏡；3-整形鏡；301-平板玻璃；302-吸收液體；303-物鏡；4-準(zhǔn)直物鏡。

具體實(shí)施方式：

如圖1所示，本發(fā)明主要由激光器1、準(zhǔn)直鏡2、整形鏡3和準(zhǔn)直物鏡4組成。

工作時(shí)，由激光器1發(fā)出的激光光束，準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后，形成準(zhǔn)直光束，經(jīng)整形鏡3后，再經(jīng)準(zhǔn)直物鏡4準(zhǔn)直后，成均勻的準(zhǔn)直擴(kuò)束激光束。整形鏡3由平板玻璃301、吸收液體302和物鏡303組成；吸收液體被封閉在整形鏡3的平板玻璃和物鏡之間，物鏡303與吸收液體接觸的面為球面，吸收液體的折射率與物鏡的折射率系數(shù)相同，吸收液體的吸收系數(shù)成反高斯分布，激光束經(jīng)過(guò)整形鏡3的平板玻璃和吸收液體后，成均勻性較好的平頂高斯光束，經(jīng)整形鏡3中的物鏡和準(zhǔn)直物鏡4后，成擴(kuò)束的均勻平頂高斯光束。擴(kuò)束倍率由整形鏡3的焦距和準(zhǔn)直物鏡4的焦距決定，如整形鏡3的焦距為f1，準(zhǔn)直物鏡4的焦距為f2，則系統(tǒng)的擴(kuò)束倍率為f2：f1，同時(shí)保證整形鏡3和準(zhǔn)直物鏡4的口徑匹配，也滿足擴(kuò)束倍率的關(guān)系，激光束通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)后不受限。

激光器通過(guò)準(zhǔn)直鏡后，成準(zhǔn)直的高斯光束，此高斯光束經(jīng)過(guò)整形鏡時(shí)，其強(qiáng)度分布如下：若吸收液體的吸收系數(shù)為α，離物鏡光軸為r處的液體厚度為l(r)，則該處的透過(guò)率t(r)為：

t(r)＝exp[-αl(r)](1)

若吸收液體的半徑為a，物鏡與吸收液體接觸面的曲率半徑為ρ，則

式中為吸收液體中心厚度。

當(dāng)時(shí)，

式中，t0＝exp[-αl0]為整形鏡中心的透過(guò)率，由(3)式可知，整形鏡徑向透過(guò)率為反高斯分布。

當(dāng)準(zhǔn)直的束寬為ω，光束中心強(qiáng)度為i0，其徑向強(qiáng)度為高斯分布：

ir＝i0exp(-2r²/ω²)

當(dāng)高斯光束通過(guò)所設(shè)計(jì)的整形鏡的吸收液體時(shí)，其強(qiáng)度分布可表述為：

i(r)≈ir×tr＝i0t0exp[(ar²/2ρ)-(2r²/ω²)]

當(dāng)吸收系數(shù)為的液體充滿整形鏡空腔時(shí)，激光光強(qiáng)分布i可變?yōu)椋?/p>

i≈i0t0

采用上述整形鏡可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束整形，使激光在通過(guò)整形鏡平板玻璃和吸收液體后強(qiáng)度分布均勻化。

整個(gè)裝置后端整體可視為擴(kuò)束鏡，僅對(duì)激光光束進(jìn)行擴(kuò)束，不改變激光的傳輸特性。