一種板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形方法
2023-05-18 00:45:41
專利名稱：一種板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射器輸出雷射束的變換整形方法，具體講是一種板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形方法。屬於雷射器領域。
背景技術：
在板條波導雷射器中，由於採用非穩腔結構，在平行於板條波導方向是一種非穩腔輸出的寬幅類平行光束，在垂直於板條波導方向是一種類高斯分布的波導模雷射束，其輸出雷射光束的橫截面是矩形分布。矩形分布的光束限制了板條波導雷射器的應用，在很多雷射技術應用中，圓對稱分布的橫截面是雷射器的一個非常重要的指標。將矩形光束整形變換成圓對稱光束擴大板條波導雷射器的應用範圍和使用效果。
目前將矩形雷射光束整形變換成圓對稱光束主要的方法主要有三種，第一種是德國Roffin-Sinar公司採用的方法，由兩個球面反射鏡，一個柱面反射鏡和一個棗核形的小孔光闌構成。該方法對雷射光束的橫截面尺寸參數有特定的要求，對用於變換整形的各光學元件間的距離也有特定要求。其小孔光闌是棗核形的，不是圓對稱的，整個製作方法比較複雜，變換後的光束圓度也比較差。第二種是德國Fraunhofer Institute of Laser Technology提出的方法(Uwe，SPIE，Vol.3267.0277，66-73)，由四個柱面鏡和一個非圓對稱的小孔光闌構成。該方法是將四個柱面鏡兩兩組合共構成兩組望遠鏡系統，每組望遠鏡系統分別對雷射光束的平行於板條波導方向和垂直於板條波導方向進行整形變換，這種方法製作也較複雜，變換後的光束圓度較差。第三種方法是採用二元光學的方法製作光束變換元件，但在目前的製作水平下，衍射損耗較大。
發明內容
本發明的目的是對板條波導雷射器輸出雷射束進行變換整形，將雷射器輸出的橫截面為矩形的雷射光束變換整形成橫截面為正方形的光束，為進一步變換為多種橫截面形狀的光束，特別是所需要尺寸的圓對稱的雷射光束奠定基礎。
本發明是通過兩個柱面反射鏡或者兩個柱面透鏡，將橫截面為矩形光束的短臂方向擴束，將光束橫截面整形為正方形，為進一步變換為多種橫截面形狀的光束，特別是所需要尺寸的圓對稱的雷射光束奠定基礎。
本發明通過兩個柱面反射鏡或者兩個柱面透鏡，成功的將橫截面為矩形的光束的短臂方向擴束，將光束橫截面變換整形為正方形，再將橫截面為正方形的雷射光束變換整形為多種橫截面形狀的光束，特別是所需要尺寸的圓對稱的雷射光束。
本發明板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形的具體方法，是將板條波導雷射器波導埠輸出的波長為λ，光斑半徑為ωX01、ωY01的矩形雷射束變換為橫截面為正方形的、光斑半徑為ωXC2的雷射束，其中將所說矩形雷射束經過距波導埠距離為L0的、焦距為fYC1的第一柱面反射鏡或透鏡和距第一柱面反射鏡或透鏡距離為L1+fYC2的、焦距為fYC2的第二柱面反射鏡或透鏡，其中，L0＞5cm，fYC1＜L0，RY(L0)=L0[1+(Y012L0)2],---(1)]]>L1=(1fYC1-1RY(L0))(1fYC1-1RY(L0))2+(Y2(L0))2,---(2)]]>Y(L0)=Y011+(L0qY0)2,---(3)]]>qY0=Y012,---(4)]]>XC2=X01+(L0+L1+fYC2)3X01,---(5)]]>fYC2=XC2L1Y(L0)K1,---(6)]]>
K1∈
，上式中RY(L0)為光束在距波導埠L0處的曲率半徑，ωY(L0)為光束在距波導埠L0處的光斑半徑，qY0是瑞利長度，K1為調整因子，調整因子是調整實驗值和理論值之間差異的係數。
優選方案中，λ∈[8um，12um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。或者λ∈[3um，5um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
本發明更優選的方案是將所說的橫截面為正方形、光斑半徑為ωXC2的雷射束變換成橫截面與空間濾波器形狀相同的類平行光束，其方法是雷射束經過距第二柱面反射鏡或透鏡距離為L2、焦距為fS1的第三球面反射鏡或透鏡和距第三球面反射鏡或透鏡距離為fS1的孔徑小於D的空間濾波器後，再經過距空間濾波器距離為fS2、焦距為fS2的第四球面反射鏡或透鏡，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，OB=fs1XC2,---(7)]]>D＝2K2ωOB， (8)K2(0.5，2)，上式中ωOB為在空間濾波器處的腰斑半徑，K2為調整因子。
本發明最優選的方案是將所說的橫截面為正方形、光斑半徑為ωXC2的雷射束變換成橫截面為圓形、光斑半徑為WC的類平行光束，其方法是雷射束經過距第二柱面反射鏡或透鏡距離為L2、焦距為fS1的第三球面反射鏡或透鏡和距第三球面反射鏡或透鏡距離為fS1的直徑為D的圓形空間濾波器，再經過距空間濾波器距離為fS2、焦距為fS2的第四球面反射鏡或透鏡，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，OB=fs1XC2---(7)]]>D＝2K2ωOB，K2(0.5，2) (8)fS2=WC(fS1+)WXC2,]]>Δ∈(-0.5×fS1，0.8×fS2) (9)上式中ωOB為在空間濾波器處的腰斑半徑，K2為調整因子。
本發明的第一柱面反射鏡或透鏡及第二柱面反射鏡或透鏡，均採用水冷散熱。
本發明的第三柱面反射鏡或透鏡及第四柱面反射鏡或透鏡，均採用水冷散熱。
本發明方法的有益效果在於1、本發明首先採用兩個柱面反射鏡或者兩個柱面透鏡構成的一維擴束系統，將橫截面為矩形的光束在短臂方向進行擴束，整形為橫截面為正方形的光束，易於後序兩維方向的同步整形。
2.本發明整形為橫截面正方形的光束可再利用兩個球面反射鏡或者兩個球面透鏡構成的二維擴束系統及兩鏡間的空間濾波器，通過改變空間濾波器小孔光闌的形狀，實現多種橫截面形狀的光束輸出，特別是經圓對稱形小孔光闌的空間濾波器，得到所需要尺寸的圓度非常好的雷射光束。整形後的光束能廣泛應用於雷射技術領域。
3.本發明能夠根據實際需要計算選擇變換整形系統的設計參量，操作方法簡單易行。
4.本發明所有元器件製作方法比較成熟，加工簡單，避免了採用二元光學方法製作複雜的光束變換元件。
5.本發明採用水冷散熱裝置控制柱面反射鏡或者柱面透鏡，以及水冷散熱裝置控制球面反射鏡或者球面透鏡，能夠保證整形變換系統在很高能量條件下穩定工作。
6.本發明的變換整形過程中的衍射損耗小。
圖1.變換前後的光斑橫截面形狀示意圖。
A.變換前的光斑橫截面形狀。
B.通過柱面鏡系統後的光斑橫截面形狀C.變換後的光斑橫截面形狀圖2.經第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡整形的Y方向光束變換示意圖。
1.第一柱面反射鏡，2.第二柱面反射鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束，OA為第二柱面反射鏡的焦點處。
圖3.經第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡整形的X方向光束變換示意圖。
1.第一柱面反射鏡，2.第二柱面反射鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束。
圖4.經第一柱面反射鏡和第二柱面透鏡整形的Y方向光束變換示意圖。
1.第一柱面反射鏡，2.第二柱面透鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束，OA為第二柱面透鏡的焦點處。
圖5.經第一柱面反射鏡和第二柱面透鏡整形的X方向光束變換示意圖。
1.第一柱面反射鏡，2.第二柱面透鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束。
圖6.經第一柱面透鏡和第二柱面反射鏡整形的Y方向光束變換示意圖。
1.第一柱面透鏡，2.第二柱面反射鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束，OA為第二柱面反射鏡的焦點處。
圖7.經第一柱面透鏡和第二柱面反射鏡整形的X方向光束變換示意圖。
1.第一柱面透鏡，2.第二柱面反射鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束。
圖8.經第一柱面透鏡和第二柱面透鏡整形的Y方向光束變換示意圖。
1.第一柱面透鏡，2.第二柱面透鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束，OA為第二柱面透鏡的焦點處。
圖9.經第一柱面透鏡和第二柱面透鏡整形的X方向光束變換示意圖。
1.第一柱面透鏡，2.第二柱面透鏡，A.雷射器波導埠輸出的雷射束，B.經柱面鏡系統後的光束圖10經第三球面反射鏡和第四球面反射鏡整形的Y或X方向光束變換示意圖。
1.第三球面反射鏡，2.第四球面反射鏡，B.經柱面鏡系統後的光束，C.經球面鏡系統後的光束，OB為第四球面反射鏡的焦點處。
圖11經第三球面反射鏡和第四球面透鏡整形的Y或X方向光束變換示意圖。
1.第三球面反射鏡，2.第四球面透鏡，B.經柱面鏡系統後的光束，C.經球面鏡系統後的光束，OB為第四球面透鏡的焦點處。
圖12經第三球面透鏡和第四球面反射鏡整形的Y或X方向光束變換示意圖。
1.第三球面透鏡，2.第四球面反射鏡，B.經柱面鏡系統後的光束，C.經球面鏡系統後的光束，OB為第四球面反射鏡的焦點處。
圖13經第三球面透鏡和第四球面透鏡整形的Y或X方向光束變換示意圖。
1.第三球面透鏡，2.第四球面透鏡，B.經柱面鏡系統後的光束，C.經球面鏡系統後的光束，OB為第四球面透鏡的焦點處。
具體實施例方式
在下面的實施例中進一步說明了本發明，這並不限制本發明的範圍。
實施例1在千瓦級射頻激勵擴散型冷卻板條波導CO2雷射器中，由於採用了離軸非穩腔，在平行於板條波導方向(X方向)是一種非穩腔輸出的類平行光束，而在垂直於板條波導方向(Y方向)是一種類高斯分布的雷射束，其輸出雷射光束橫截面在波導埠處是矩形的。在平行於板條波導方向(Y方向)的類平行光束半徑ωX01為12mm，在垂直於板條波導方向(Y方向)的類高斯雷射束半徑ωY01為0.65mm。輸出波長為10.6um。變換整形過程如下將焦距fYc1為300mm的第一柱面反射鏡放置在波導口A的距離L0處，L0為1400mm。
根據公式(2)和(3)計算得到光束在第一柱面反射鏡處的Y方向光斑半徑ωY(L0)為7.3mm，Y方向聚焦後的焦點OA距第一柱面反射鏡的距離L1為381mm。
根據公式(5)和(6)，取K1＝1，計算得到第二柱面反射鏡的焦距fYc2為625mm.第二柱面反射鏡距焦點OA的距離為625mm。
光束經過第一柱面反射鏡和第二柱面反射鏡後整形為光束在為Y方向和X方向均為ωXC2＝12.72的正方形。(參見圖2，圖3)實施例2板條波導CO2雷射器中輸出雷射束橫截面與變換整形方法與實施例1相同，所不同之處在於光束波長為9.6um，焦距fYc1為50mm，L0為55mm，K1＝0.5，第二柱面鏡是焦距為fYc2的透鏡。參數的計算方法與實施例1相同(參見圖4，圖5)。
實施例3板條波導固體雷射器，輸出雷射束與變換整形方法與實施例1相同，所不同之處在於光束波長為1.064um，第一柱面鏡是透鏡焦距fYc1為80mm，L0為500mm，K1＝2。參數的計算方法與實施例1相同。(參見圖6，圖7)實施例4
板條波導固體雷射器，輸出雷射束與變換整形方法與實施例1相同，所不同之處在於光束波長為1.053um，第一柱面鏡是透鏡，焦距fYc1為100mm，L0為1000mm，K1＝1，第二柱面鏡是焦距為fYc2的透鏡。參數的計算方法與實施例1相同。(參見圖8，圖9)實施例5板條波導CO2雷射器中輸出雷射束橫截面與變換整形方法與實施例1相同，所不同之處在於光束波長為10um，焦距fYc1為200mm，L0為4000mm，K1＝0.5，第二柱面鏡是焦距為fYc2的透鏡。參數的計算方法與實施例1相同。(參見圖4，圖5)實施例6板條波導固體雷射器，輸出雷射束與變換整形方法與實施例1相同，所不同之處在於光束波長為1.0um，第一柱面鏡是透鏡，焦距fYc1為100mm，L0為10000mm，K1＝1，第二柱面鏡是焦距為fYc2的透鏡。參數的計算方法與實施例1相同。(參見圖8，圖9)實施例7按照實施例1方法整形後的光束在Y方向和X方向均為ωXC2的橫截面為正方形的光束，經過放置在L2＝500mm處的，焦距為fs1＝300mm的第三球面反射鏡，根據公式(7)計算得到，經過第三球面反射鏡後聚焦點OB處ωOB＝0.08mm，根據公式(8)，K2取1.25，可計算得OB處圓形對稱的空間濾波器的直徑D＝0.2mm，取離焦量Δ＝0，設定需要的光斑半徑ωC＝8mm，根據公式(7)和(9)計算得第四球面反射鏡的焦距fs2＝200mm，其到OB距離也是200mm。此時光束整形為橫截面積為圓形半徑ωC＝8mm的光斑。(參見圖1，圖2，圖3，圖10)實施例8實施例2方法整形後的光束在Y方向和X方向均為ωXC2的橫截面為正方形的光束，按照實施例7的方法繼續進行整形，所不同之處在於經過放置在L2＝6mm處的，焦距為fs1＝50cm的第三球面反射鏡，K2取2.0，離焦量Δ＝-30，焦距f2＝1000mm的第四球面鏡為透鏡，參數的計算方法與實施例7相同。(參見圖1，圖4，圖5，圖11)實施例9實施例3方法整形後的光束在Y方向和X方向均為ωXC2的橫截面為正方形的光束，按照實施例7的方法繼續進行整形，所不同之處在於經過放置在L2＝1999mm處的，焦距為fs1＝100cm的第三球面鏡為透鏡，K2取1.0，離焦量Δ＝390，焦距fs2＝500mm.參數的計算方法與實施例7相同。(參見圖1，圖6，圖7，圖12)實施例10實施例4方法整形後的光束在Y方向和X方向均為ωXC2的橫截面為正方形的光束，按照實施例7的方法繼續進行整形，所不同之處在於經過放置在L2＝1500mm處的，焦距為fs1＝500cm的第三球面鏡為透鏡，焦距fs2＝5cm的第四球面鏡為透鏡，K2取1.5，離焦量Δ＝3.8，參數的計算方法與實施例7相同。(參見圖1，圖8，圖9，圖13)實施例11實施例1方法整形後的光束在Y方向和X方向均為ωXC2的橫截面為正方形的光束，按照實施例7的方法繼續進行整形，所不同之處在於經過放置在L2＝1000mm處的，焦距為fs1＝200cm的第三球面鏡為透鏡，焦距fs2＝700cm的第四球面鏡為透鏡，K2取1.8，離焦量Δ＝0，參數的計算方法與實施例7相同。(參見圖1，圖8，圖9，圖13)實施例12光束整形方法按照實施例7的方法進行，所不同之處在於空間濾波器是邊長為D2=0.1mm]]>的正六邊形，光束整形為橫截面積為正六邊形的光斑。(參見圖2，圖3，圖10)實施例13光束整形方法按照實施例8的方法進行，所不同之處在於空間濾波器是邊長為D2=0.1mm]]>的正三角形，光束整形為橫截面積為正三角形的光斑。(參見圖4，圖5，圖11)實施例14光束整形方法按照實施例9的方法進行，所不同之處在於空間濾波器是邊長為D2=0.1mm]]>的正方形，光束整形為橫截面積為正方形的光斑。(參見圖6，圖7，圖12)實施例15光束整形方法按照實施例10的方法進行，所不同之處在於空間濾波器是最長的對角線為D＝0.1mm的四邊形，光束整形為橫截面積為四邊形的光斑。(參見圖8，圖9，圖13)
權利要求
1.一種板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形方法，其特徵在於所說變換整形是將板條波導雷射器波導埠輸出的波長為λ，光斑半徑為ωX01、ωY01的矩形雷射束變換為橫截面為正方形的、光斑半徑為ωXC2的雷射束，其中將所說矩形雷射束經過距波導埠距離為L0的、焦距為fYC1的第一柱面反射鏡或透鏡和距第一柱面反射鏡或透鏡距離為L1+fYC2的、焦距為fYC2的第二柱面反射鏡或透鏡，其中，L0≥5cm，fYC1＜L0，R(L0)=L0[1+(Y012L0)2],---(1)]]>L1=(1fYC1-1RY(L0))(1fYC1-1RY(L0))2+(Y2(L0))2,---(2)]]>Y(L0)=Y011+(L0qY0)2,---(3)]]>qY0=Y012,---(4)]]>XC2=X01+(L0+L1+fYC2)3X01,---(5)]]>fYC2=XC2L1Y(L0)K1,---(6)]]>K1∈
.上式中RY(L0)為光束在距波導埠L0處的曲率半徑，ωY(L0)為光束在距波導埠L0處的光斑半徑，qY0是瑞利長度，K1為調整因子。
2.根據權利要求1的雷射束的變換整形方法，其特徵在於λ∈[8um，12um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
3.根據權利要求1的雷射束的變換整形方法，其特徵在於λ∈[3um，5um]，L0∈(5cm，1000cm]，fYC1、fYC2∈[5cm，1000cm]。
4.根據權利要求1的雷射束的變換整形方法，其特徵在於將所說的橫截面為正方形、光斑半徑為ωXC2的雷射束變換成橫截面與空間濾波器形狀相同的類平行光束，其中將所說橫截面雷射束經過距第二柱面反射鏡或透鏡距離為L2、焦距為fS1的第三球面反射鏡或透鏡和距第三球面反射鏡或透鏡距離為fS1的孔徑小於D的空間濾波器後，再經過距空間濾波器距離為fS2、焦距為fS2的第四球面反射鏡或透鏡，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，OB=fs1XC2,---(7)]]>D＝2K2ωOB， (8)K2(0.5，2)，上式中ωOB為在空間濾波器處的腰斑半徑，K2為調整因子。
5.根據權利要求1的雷射束的變換整形方法，其特徵在於將所說的橫截面為正方形、光斑半徑為ωXC2的雷射束變換成橫截面為圓形、光斑半徑為WC的類平行光束，其中將所說橫截面雷射束經過距第二柱面反射鏡或透鏡距離為L2、焦距為fS1的第三球面反射鏡或透鏡和距第三球面反射鏡或透鏡距離為fS1的直徑為D的圓形空間濾波器，再經過距空間濾波器距離為fS2、焦距為fS2的第四球面反射鏡或透鏡，其中，L2∈(5mm，2000mm)，fS1、fS2∈[5cm，1000cm]，OB=fs1XC2---(7)]]>D＝2K2ωOB，K2(0.5，2) (8)fS2=WC(fS1+)WXC2,(-0.5fS1,0.8fS2)---(9)]]>上式中ωOB為在空間濾波器處的光斑半徑，K2為調整因子。
6.根據權利要求1的雷射束的變換整形方法，其特徵在於第一柱面反射鏡或透鏡及第二柱面反射鏡或透鏡，均採用水冷散熱。
7.根據權利要求4或5的雷射束的變換整形方法，其特徵在於第三柱面反射鏡或透鏡及第三柱面反射鏡或透鏡，均採用水冷散熱。
全文摘要
本發明涉及一種板條波導雷射器輸出雷射束的變換整形方法。本發明是通過兩個柱面反射鏡或柱面透鏡構成一維方向的擴束系統，將橫截面為矩形光束的短臂方向擴束，形成橫截面為方形的光束；然後再利用兩個球面反射鏡或球面透鏡形成兩維方向的擴束系統，將橫截面方形的光束變換成所需要的尺寸；同時在兩個球面反射鏡或球面透鏡的中間焦點附件放置一個圓形或多種形狀的空間濾波器，使輸出光束的橫截面成為圓對稱或多種形狀。整形後的光束能廣泛應用於雷射技術領域。
文檔編號G02F1/29GK1822449SQ20061000132
公開日2006年8月23日 申請日期2006年1月17日 優先權日2006年1月17日
發明者辛建國, 鄔江興, 張志遠, 王偉平 申請人:北京礴德恆雷射科技有限公司