一種雷射光強分布的控制裝置及方法
2023-07-19 22:56:16 1
專利名稱：一種雷射光強分布的控制裝置及方法
技術領域：
本發明屬於雷射光強分布控制技術領域，特別是涉及一種雷射光強分布的控制裝置及方法。
背景技術：
雷射自1960年問世至今，得到了空前的發展，由於其亮度高、單色性好、準直和聚焦性能好，已在科學研究、軍事國防、工業加工、天文觀測和信息傳播等領域得到的廣泛的應用。在實際應用當中，雷射的光強分布是限制雷射應用的一個主要因素。例如在雷射刻蝕加工領域，就需要得到光強分布儘量均勻的平頂光束以達到最理想的刻蝕效果；而在需要雷射聚焦的情況下(如雷射焊接、雷射的光纖耦合)，就希望得到光強分布儘量接近高斯型的基模高斯光束，從而提高雷射聚焦後的光強並降低雷射在焦點處的束腰半徑。因此， 對雷射強度分布的控制有著十分重要和現實的意義。雷射一般是由雷射諧振腔產生，或經雷射放大器進行放大後輸出。理論上基模輸出的雷射光束的光強分布是高斯形的，但由於光學元器件引入的像差和非線性效應，實際應用中雷射的強度分布並沒有嚴格的特性和規律。現有的光強分布控制技術都是透射衰減式的，且在實際應用中會受到如雷射光強、孔徑等因素的限制。申請號為02820338.0的中國專利申請公開了一種薄膜半導體器件及其製造方法，是直接利用具有一定光強透過率分布的掩膜改變光束的強度分布並用於半導體器件的光刻，該方法需要探測雷射的強度分布後，設計、加工出對應透過率分布的掩膜，從而實現對雷射強度分布的控制，但由於需要曝光、顯影、定影等工藝，掩膜的製造時間較長，使該方法對雷射的光斑分布的控制的實時受到影響；另一方面，該方法實際上是對光強衰減的，將會是雷射的功率受到損失；此外這種透射式掩膜的損傷閾值比較低，也限制了其應用於高功率雷射。專利號為01256697. 7的中國專利公開了一種液晶光閥雷射束空間整形裝置，提到利用液晶光閥對雷射的光強分布進行控制，但該方法同樣也是只能通過衰減實現對雷射光強分布的控制，無法解決雷射損失和損傷問題。此外還有人提出過利用可變形反射鏡控制雷射位相分布的方法來改變雷射的強度分布，其物理原理與二元光學類似，只是將控制位相的光學元件換成了可變形反射鏡。但由於雷射光束在自由空間傳播時強度與位相之間的相互作用關係是非線性的，以及實際操作中變形反射鏡可以提供的位相補償能力受到工藝的限制，因此通過這種方法很難實現對任意光強分布的控制。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是現有技術改變雷射光強分布的只能通過衰減實現， 無法解決雷射損失和損傷問題，因此很難應用於高功率、高能量的雷射光束。
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( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種雷射光強分布的控制裝置。其中，所述裝置包括增益介質、泵浦源、光學元件、圖形發生器和控制器，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述控制器與泵浦源相連接，用於控制泵浦源向增益介質發出泵浦光，所述泵浦光經由光學元件進入增益介質，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制經過光學元件的泵浦光的光強分布，從而改變增益介質內的增益分布，使經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。優選地，所述光學元件包括液晶光閥和反射鏡，在泵浦源和增益介質的出射面之間依次設有液晶光閥和反射鏡，所述控制器與液晶光閥相連接。優選地，所述光學元件包括變形鏡和傅立葉變換鏡，在泵浦源和增益介質的出射面之間依次設有變形鏡和傅立葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。本發明還提供了第二種雷射光強分布的控制裝置，包括增益介質、泵浦源、圖形發生器和控制器，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述控制器與泵浦源相連接，用於控制泵浦源的輸出光強分布，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制泵浦光的光強分布以改變增益介質內的增益分布，從而使得經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。本發明還提供了一種雷射光強分布的控制方法，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述泵浦光經由光學元件進入增益介質，所述圖形發生器與控制器相連接， 用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制經過光學元件的泵浦光的光強分布，從而改變增益介質內的增益分布，使經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。優選地，所述光學元件包括液晶光閥時，所述控制器與液晶光閥相連接，所述控制器施加給液晶光閥的電壓在U1(^y)容限範圍內，從而使得泵浦光在Ip(x，y)容限範圍內， 其中，如
權利要求
1.一種雷射光強分布的控制裝置，其特徵在於，包括增益介質、泵浦源、光學元件、圖形發生器和控制器，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述控制器與泵浦源相連接，用於控制泵浦源向增益介質發出泵浦光，所述泵浦光經由光學元件進入增益介質，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制經過光學元件的泵浦光的光強分布，從而改變增益介質內的增益分布，使經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述光學元件包括液晶光閥和反射鏡，在泵浦源和增益介質的出射面之間依次設有液晶光閥和反射鏡，所述控制器與液晶光閥相連接。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述光學元件包括變形鏡和傅立葉變換鏡， 在泵浦源和增益介質的出射面之間依次設有變形鏡和傅立葉變換鏡，所述控制器與變形鏡相連接。
4.一種雷射光強分布的控制裝置，其特徵在於，包括增益介質、泵浦源、圖形發生器和控制器，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述控制器與泵浦源相連接，用於控制泵浦源的輸出光強分布，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制泵浦光的光強分布以改變增益介質內的增益分布，從而使得經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。
5.一種雷射光強分布的控制方法，其特徵在於，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述泵浦光經由光學元件進入增益介質，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制經過光學元件的泵浦光的光強分布，從而改變增益介質內的增益分布，使經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述光學元件包括液晶光閥時，所述控制器與液晶光閥相連接，所述控制器施加給液晶光閥的電壓在U1 (x, y)容限範圍內，從而使得泵浦光在Ip(x，y)容限範圍內，其中，式中，C1為液晶光閥的透過率-電壓係數，Ii(x, y)為入射雷射光強分布，I0(x, y)為_hcahe預設的雷射光強分布，Iptl(x，y)為雷射的原始輸出光強，& = ^2A(Z-I)λ ！為雷射波長，λ ρ為泵浦光的波長，h為普朗克常量，c為光速，O 21為增益介質的受激發射截面，Tf為激活離子的上能級壽命，α為增益介質對泵浦光的吸收係數，L為增益介質的長度，e為歐拉係數。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述預設的雷射光強分布I。(x，y)為高斯型，且入射雷射的光強分布IiU, y) =Atl時，控制器施加給液晶光閥的電壓值為U1U, y)， 從而使得泵浦光值為Ip(x，y)。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述光學元件包括變形鏡和傅立葉變換鏡時，所述控制器與變形鏡相連接，所述控制器施加給變形鏡的電壓在U容限範圍內，從而使得控制器調節變形鏡使其對泵浦光引入的位相分布在△ Φ (χ, y)容限範圍內，其中，
9.一種雷射光強分布的控制方法，其特徵在於，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述泵浦光由與控制器相連的泵浦源發出，所述控制器與圖形發生器相連接，接收預設的雷射光強分布，並控制泵浦光的光強分布，以改變增益介質內的增益分布，從而使得經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述泵浦源為可尋址半導體雷射器陣列， 所述控制器施加給泵浦源的電流在i(x，y)容限範圍內，從而使得泵浦光在Ip(x，y)容限範圍內，其中，
全文摘要
一種雷射光強分布的控制裝置及方法，所述裝置包括增益介質、泵浦源、光學元件、圖形發生器和控制器，在雷射的光路上設有接收到泵浦光的增益介質，所述控制器與泵浦源相連接，用於控制泵浦源向增益介質發出泵浦光，所述泵浦光經由光學元件進入增益介質，所述圖形發生器與控制器相連接，用於將預設的雷射光強分布發送至控制器，由控制器來控制經過光學元件的泵浦光的光強分布，使增益介質內產生空間調製的增益分布，以實現使經過增益介質的雷射與預設的雷射光強分布相匹配。本發明有效實現對任意雷射光強分布的實時控制，由於控制過程不存在對雷射的衰減，且增益分布會將雷射的光強放大，因此很容易實現對高功率雷射光束的光強分布控制。
文檔編號H01S3/102GK102570274SQ20121003578
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月16日 優先權日2012年2月16日
發明者劉歡, 鞏馬理, 張海濤, 柳強, 邱運濤, 閆平, 黃磊 申請人:清華大學