雷射束整形裝置的製作方法

2023-06-24 12:46:01

專利名稱：雷射束整形裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射束整形裝置，特別是一種反射型聚合物波導雷射束整形裝置，應用於雷射領域。
背景技術：
光波整形元件是現代光學應用中的基本元件之一，通常雷射器發出的光束的強度分布呈高斯分布，而在一些應用中，希望得到光斑的光強分布滿足一定要求的雷射束(例如在雷射熱處理中，就要求光斑光強均勻分布)，因此，對雷射束進行整形是一個有實用價值的研究課題。目前，常用的光束均勻化方案有透鏡列陣系統、光楔列陣系統、隨機位相板以及部分相干光入射等。然而，上述各種方法都是針對低功率雷射器提出的，對高功率雷射器並不適用。
侯冬蘭、張耀寧等人在《中國雷射》2003年9月第30卷799頁發表的論文「高功率雷射束整形技術及其數值模擬」中提出了一種雷射束整形裝置，它的原理是通過在平凹諧振腔中引入一個能控制凹鏡振幅和頻率的振子來實現雷射束整形。因為萬瓦級高功率氣體雷射器中的工作物質是流動介質，其增益區中增益分布不均勻，上遊處高，下遊處低，造成了光斑通常是一邊強，一邊弱。根據這個特點，令平凹諧振腔中凹鏡曲率半徑作周期振動，改變雷射束的振蕩模式，利用時間的相關性消除因增益不一致引起的光強分布不均勻，從而使疊加的光束在時間上實現了均勻化處理。但是，該裝置的整形原理完全基於高功率氣體雷射器的工作特點，可應用的範圍十分有限。

發明內容
本發明的目的在於解決現有技術中的上述不足，提供一種雷射束整形裝置，具體是一種平面陣列式反射型聚合物波導雷射束整形裝置，可將所要求實現的雷射束的光強分布，以編程方式輸入到計算機中，利用計算機及自動化控制系統，實現所要求的雷射束的光強分布。該裝置具有損傷閾值高(顯著高於液晶)、口徑大、響應速度快、損耗小、製作成本低、適用範圍廣的特點，而且不會引起雷射束位相面的變化，有望在各種雷射調製中獲得廣泛的應用。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置、平面陣列式光強測量裝置、陣列調製單元控制裝置、計算機。其連接方式為平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置的各個陣列調製單元分別與陣列調製單元控制裝置獨立連接，待調製雷射束自平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置的輸入端射入，調製後的雷射束由平面陣列式光強測量裝置接收，陣列調製單元控制裝置的調製指令接收埠、平面陣列式光強測量裝置的信息輸出埠與計算機相連接，形成完整的工作平臺。
整個平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置是若干陣列調製單元構成的平面陣列系統，每個陣列調製單元分別與陣列調製單元控制裝置獨立連接，其工作情況完全獨立。
單個陣列調製單元，是由稜鏡以及在稜鏡底面依次鍍上的金屬膜、覆蓋層、聚合物(polymer)膜、金屬電極構成的一個三層導膜系統，電源的正極電壓輸出與金屬膜相連接，負極電壓輸出與金屬電極相連接。在金屬膜與金屬電極之間可以施加一定範圍的電壓。
使用金屬材料來製作平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置，能夠充分利用現有成熟的製造工藝，降低生產成本以及難度。但是，對應用於高功率雷射束的整形裝置，因為金屬薄膜會被強光打壞，所以，必須採用錫摻雜的氧化銦(ITO)透明導電薄膜，代替金屬膜，相應的也因該使用ITO材料來製作電極平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置的工作原理是用微小陣列式的波導電光調製器(陣列調製單元)對大口徑雷射光斑的每一個小區域的光強分別獨立進行調整，從而使光強實現所需要的分布。
光強測量裝置也採用平面陣列式結構，每個陣列測量單元獨立工作，與陣列調製單元一一對應，協調工作。在驗證裝置中，採用光伏電池來製作每個陣列測量單元。
本發明中，通過調整每個陣列調製單元的電壓來實現對雷射強度的調節。調製過程中，平面陣列式光強測量裝置測量經平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置調製後的雷射束光斑強度分布，並將測量結果實時反饋到計算機，計算機根據預先輸入的光強調製要求，與測量結果對比，進而制定調製方案，並將調製方案以指令形式發送至陣列調製單元控制裝置，實現對光斑強度的實時、自動化調節。
本發明具有實質性的優點和進步，本發明使用的新型平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置與傳統調製器件相比，具有口徑大、響應速度快、損耗小、製作成本低、不會引起雷射束位相面變化的優點。如果使用ITO材料替代金屬材料，則能夠有效提高裝置的抗破壞閾值，解決對高功率雷射束進行調製的難題。所以，本裝置有望在各種雷射調製中獲得廣泛的應用。


圖1本發明結構示意2平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置單個陣列調製單元的結構示意3平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置結構示意4單個陣列調製單元的衰減全反射譜線5電場作用下衰減全反射譜線吸收峰的移動具體實施方式
如圖1、圖2和圖3所示，本發明包括平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1、平面陣列式光強測量裝置2、陣列調製單元控制裝置3、計算機4，其連接方式為平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1與陣列調製單元控制裝置3相連接，待調製雷射束自平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1的輸入端進入，由平面陣列式光強測量裝置2接收平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1調製後的雷射束，陣列調製單元控制裝置3的指令接收埠、平面陣列式光強測量及信息反饋裝置2的信息輸出埠與計算機4相連接，形成完整的工作平臺。
平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1是一個平面陣列系統，由若干陣列調製單元構成，陣列調製單元控制裝置3與平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1的每個陣列調製單元獨立連接。
每個陣列調製單元是一個三層導膜系統，包括稜鏡5以及在稜鏡底面依次鍍上的金屬膜6、覆蓋層7、聚合物膜8以及金屬電極9，電源的正極電壓輸出與金屬膜6相連接，負極電壓輸出與金屬電極9相連接。在金屬膜6與金屬電極9之間可以施加一定範圍的電壓。
對適用於高功率雷射束的整形裝置，採用ITO薄膜代替金屬膜6，相應的，用ITO電極代替金屬電極9。
平面陣列式光強測量裝置3是一個平面陣列系統，由陣列測量單元構成，陣列測量單元與平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置1的陣列調製單元一一對應。
以下結合實施例對本發明作進一步的理解首先，按圖1所示連接裝置。
實施例一為了更詳細地說明本發明，現分析單個陣列調製單元工作的情況。如圖4所示。該單元的衰減全反射譜表明隨著雷射入射角的變化，在共振角處，當稜鏡中的光波矢沿稜鏡底面方向的分量等于波導導膜的特徵波矢(傳播常數)時，就會激發導膜，引起反射光強度的急劇下降，形成吸收峰。當入射角固定在某一共振角，通過電源對陣列調製單元施加電場，導膜層的折射率將由於極化聚合物的電光效應而發生改變，進而引起導膜傳播常數的變化，造成模式共振角的改變，即圖5中吸收峰的橫向移動；而吸收峰的移動將改變導膜對雷射能量的吸收，從而實現對雷射光強的調節。通過本實施例可以得出結論本發明的調節範圍主要由吸收峰的高度決定，調節靈敏度主要由吸收峰的半寬度決定；而且本裝置不會引起雷射束位相面的變化。
實施例二為了完整展示本發明對雷射束整形操作的過程，現分析整個雷射束整形裝置的工作情況首先，將光斑光強分布的要求輸入計算機，待調製的雷射束射入平面陣列式反射型聚合物波導調製裝置，此時，並未開始調製，平面陣列式光強測量裝置測量經平面陣列式反射型聚合物波導調製裝置反射後的雷射束光斑的強度分布，並將測量結果實時反饋到計算機，計算機根據預先定製的調製要求，自動對數據進行分析，優化調製方案，並將調製方案以指令形式發送到陣列調製單元控制裝置，由陣列調製單元控制裝置控制各個陣列調製單元，開始進行調製。
權利要求
1.一種雷射束整形裝置，包括平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置(1)、平面陣列式光強測量裝置(2)、陣列調製單元控制裝置(3)，計算機(4)，其特徵在於，所述的平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置(1)是一個平面陣列系統，由若干陣列調製單元構成，陣列調製單元控制裝置(3)分別與平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置(1)的每個陣列調製單元獨立連接，所述的平面陣列式光強測量裝置(3)是一個平面陣列系統，由陣列測量單元構成，陣列測量單元與平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置(1)的陣列調製單元一一對應，待調製雷射束自平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置(1)的輸入端進入，調製後的雷射束由平面陣列式光強測量裝置(2)接收，陣列調製單元控制裝置(3)的指令接收埠、平面陣列式光強測量裝置(2)的信息輸出埠與計算機(4)相連接，形成完整的工作平臺。
2.根據權利要求1所述的雷射束整形裝置，其特徵是，每個陣列調製單元是一個三層導膜系統，包括稜鏡(5)以及在稜鏡底面依次鍍上的金屬膜(6)、覆蓋層(7)、聚合物膜(8)以及金屬電極(9)，電源的正極電壓輸出與金屬膜(6)相連接，負極電壓輸出與金屬電極(9)相連接。
3.根據權利要求2所述的雷射束整形裝置，其特徵是，對適用於高功率雷射束的整形裝置，採用ITO薄膜代替金屬膜(6)，相應的，用ITO電極代替金屬電極(9)。
全文摘要
一種雷射束整形裝置，應用於雷射領域。本發明中，平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置是一個平面陣列系統，由若干陣列調製單元構成，陣列調製單元控制裝置分別與每個陣列調製單元獨立連接，平面陣列式光強測量裝置是一個平面陣列系統，由陣列測量單元構成，陣列測量單元與陣列調製單元一一對應，待調製雷射束自平面陣列式反射型聚合物波導電光調製裝置的輸入端進入，調製後的雷射束由平面陣列式光強測量裝置接收，陣列調製單元控制裝置指令接收埠、平面陣列式光強測量裝置信息輸出埠與計算機相連接。本發明裝置抗損傷閾值高、口徑大、響應速度快、損耗小、製作成本低、應用範圍廣，且不會引起雷射束位相面的變化。
文檔編號G02B27/10GK1584659SQ20041002488
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月3日 優先權日2004年6月3日
發明者朱鵬飛, 杜嘉斌, 曹莊琪, 沈啟舜, 鄧曉旭 申請人:上海交通大學