一種透射式雷射光束整形系統的製作方法

2023-04-28 08:15:21

本實用新型屬於雷射光束整形技術領域，更具體地，涉及一種透射式雷射光束整形系統。

背景技術：

雷射的優點在於良好的方向性、單色性和相干性。在很多雷射應用場合，例如雷射切割、焊接、打孔以及雷射醫療等微精密加工中，都希望雷射器能工作在發散角最小、光束質量最好的基模狀態。對於很多大增益介質的雷射器而言，如果不採取選模措施，雷射器往往工作在高階橫模狀態，截面上的光束能量分布不均勻，直接輸出達不到預期效果，需要對雷射輸出光束的橫模進行選擇，抑制高階模，使輸出雷射的基模佔比增加，得到截面能量分布更加均勻的雷射光束。

傳統選模方法，如小孔光闌選模，諧振腔參數選模、非穩腔選模、微傾腔鏡選模等可以使雷射輸出的光束質量提高；小孔光闌選模可以在雷射器外進行模式選擇，但使用小孔光闌在很大程度上限制了模體積，增加了模損耗；而其他的方法均需要對雷射器本身進行更改。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種透射式雷射光束整形系統，其目的在於在通過外部雷射光束整形系統將雷射器輸出的高階模轉換為基模，在儘可能保證雷射光束能量的前提下，獲得更多的基模輸出雷射。

為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種透射式雷射光束整形系統，包括透射式相位調製鏡、空間濾波鏡和透射式準直鏡；

其中，透射式相位調製鏡的雷射入射面為高度不同的凹凸間隔同心圓環面，相鄰的凸面與凹面分別對應入射雷射束相鄰的峰；透射式相位調製鏡的出射雷射聚焦形成聚焦光斑，聚焦光斑包括主峰和旁瓣；

空間濾波鏡設於透射式相位調製鏡出射雷射聚焦光斑處，空間濾波鏡中心部位有可透光的光孔；主峰從光孔穿過，旁瓣則被空間濾波鏡反射吸收；

透射式準直鏡為凸透鏡，其前焦面位於空間濾波鏡中心處；透射式準直鏡用於對空間濾波鏡的出射雷射進行準直。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其透射式相位調製鏡的雷射入射面的凸面與凹面的高度差Δ滿足：

其中，n為透射式相位調製鏡材料對入射雷射的折射率，λ是入射雷射的波長，k為正整數。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其透射式相位調製鏡的出射面為凸面，將出射雷射聚焦形成聚焦光斑。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其透射式相位調製鏡的出射面為平面；且該透射式雷射光束整形系統還包括單透鏡，該單透鏡設於透射式相位調製鏡的出射面與空間濾波鏡之間，空間濾波鏡設於單透鏡的焦點處。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其空間濾波鏡的中心光孔大小可調；通過調整該光孔的大小來調整輸出雷射的能量大小。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其空間濾波鏡的光孔周圍設有一個不透明的圓錐面，圓錐面鍍有增反膜；

透射式相位調製鏡的出射光中的主峰從光孔穿過，旁瓣則被不透明圓錐面反射，被反射的光線照射到另一角度的不透明圓錐面上被吸收。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其空間濾波鏡內部設有環形水冷通道，通過水冷降低吸收光線的不透明圓錐面的溫度。

優選地，上述透射式雷射光束整形系統，其透射式相位調製鏡與透射式準直鏡的各表面均鍍有增透膜。

在雷射器輸出高功率高階雷射的基礎上，通過本實用新型提供的上述透射式雷射光束整形系統將高階模轉換為近似基模輸出；該雷射光束整形系統可以在儘可能保證雷射光束能量的前提下，獲得更多的近似基模輸出雷射；並且該系統應用於雷射器外，可針對具體的輸出雷射模式，調整其各項參數，獲得更好的輸出光束模式。

總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本實用新型提供的透射式雷射光束整形系統，與現有技術相比，由於採用入射面為高度不同的凹凸間隔同心圓環面的透射式相位調製鏡，將入射雷射束分成主峰與旁瓣，通過空間濾波鏡濾除旁瓣，僅保留主峰，並採用透射式準直鏡縮小主峰的發散角，不僅實現整形還實現了準直，大大簡化了整個光路的結構，得到更理想的輸出光束；得到的輸出光束為近似基模高斯光束，橫截面光斑沒有其他模式幹擾，輸出光束質量好，輸出功率高，光斑能量分布連續；

(2)本實用新型提供的透射式雷射光束整形系統，由於保留集中了雷射能量的90％的主峰，儘可能的保存了雷射的輸出光能量，減少了光束整形過程中的能量損耗，可獲得能量相對高的輸出雷射；

(3)本實用新型提供的透射式雷射光束整形系統，其空間濾波鏡設計巧妙，增加了反射，擴大了雷射吸收面積；並且增加了水冷通道，有效解決了高功率雷射帶來的發熱問題，不但能有效濾除旁瓣光，而且可以吸收旁瓣光束能量，消除了反射雷射的危害；

(4)本實用新型提供的透射式雷射光束整形系統，可在雷射器外部對雷射光束進行調節整形，不破壞雷射器內部結構，適用不同輸出功率的雷射器的光束整形，可以針對具體雷射器的輸出雷射模式對鏡面參數進行調整，從而得到符合需求的雷射光束，適用範圍廣泛；並且由於結構簡單，具有安裝方便簡單的優點。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的透射式雷射光束整形系統的結構示意圖；

圖2(a)、圖2(b)是本實用新型實施例中的透射式相位調製鏡的俯視、側視圖；

圖3是本實用新型實施例中的空間濾波鏡剖面結構圖；

圖4是本實用新型實施例中的入射雷射模式分布圖；其中，圖4(a)為入射雷射橫截面上振幅分布與位置關係立體圖、圖4(b)為入射雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖；

圖5是本實用新型實施例中的入射雷射振幅相位分布示意圖；

圖6是本實用新型實施例中的整形後的雷射振幅相位示意圖；

圖7是本實用新型實施例中通過空間濾波鏡前的雷射振幅分布示意圖；其中，圖7(a)是雷射橫截面上振幅分布立體圖、圖7(b)是雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖；

圖8是本實用新型實施例中輸出雷射振幅分布示意圖；其中，圖8(a)是輸出雷射橫截面上振幅分布立體圖、圖8(b)是輸出雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-透射式相位調製鏡、2-空間濾波鏡、3-透射式準直鏡、4-雷射入射面、5-雷射出射面、6-通光孔、7-第一圓錐面、8-第二圓錐面、9-孔道。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

實施例提供的透射式雷射光束整形系統，其系統結構如圖1所示意的，包括透射式相位調製鏡1、空間濾波鏡2和透射式準直鏡3；

透射式相位調製鏡1為透鏡，其雷射入射面4用於對入射的多模雷射進行整形；雷射入射面4是由1個圓面和4個半徑不同的同心環形面的組合，相鄰環形面的位置不同，呈現出凹凸間隔的表面特徵；雷射入射面4上，相鄰的凸面與凹面對應雷射束相鄰的峰，透射式相位調製鏡1的俯視圖如圖2(a)所示，側視圖如圖2(b)所示；

圖2(b)中，Δ為凸面和凹面的高度差，滿足：

其中，n為透射式相位調製鏡材料對入射雷射的折射率，λ是入射雷射的波長，k為正整數。

透射式相位調製鏡1的雷射出射面5為凸面，對入射雷射產生匯聚，在透射式相位調製鏡1的焦點處形成聚焦光斑，形成的聚焦光斑的能量分布呈一個主峰和旁瓣光束。

空間濾波鏡2設置在與透射式相位調製鏡1對應的焦面處，空間濾波鏡2的剖面如圖3所示，透射式相位調製鏡1的出射光中心的主峰從空間濾波鏡2中間的通光孔6通過，旁瓣光束照射到第一圓錐面7上，第一圓錐面6鍍有增反膜，光束在第一圓錐面7上發生反射，照射到第二圓錐面8上，旁瓣光束在第二圓錐面8上被吸收；孔道9是水冷通道，通過往孔道9注入流動的水來降低空間濾波鏡2的溫度。

透射式準直鏡3的焦點也在空間濾波鏡2的位置處，透射式相位調製鏡1的出射光經空間濾波鏡2整形和匯聚後，通過透射式準直鏡3進行準直，得到輸出光束；圖1中通過空間濾波鏡2的水平方向虛線示意主光軸位置，其他虛線示意光束輪廓。

入射雷射可能有多種不同模式分布；以下以入射雷射的一種模式分布情況為例，對實施例提供的這種透射式雷射光束整形系統進行具體闡述；對其他模式的入射雷射的整形可以在示例基礎上進行調整。

該例中，入射雷射模式分布如圖4所示，其中圖4(a)為入射雷射橫截面上振幅分布與位置關係立體圖，圖4(b)為入射雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅；圖5是入射雷射的截面沿直徑方向振幅相位分布圖，上方曲線代表沿截面直徑方向的振幅分布，與圖4(b)相同，下方數值表示沿截面直徑方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位不同；透射式相位調製鏡1的凹凸間隔的雷射入射面4讓不同相位的光通過不同厚度的介質，達到調整相位的目的，從透射式相位調製鏡1的出射面5出射的雷射光束的相位統一，如圖6所示為出射雷射的截面沿直徑方向振幅相位分布圖，上方曲線代表沿截面直徑方向的振幅分布，與圖4(b)相同，下方數值表示沿截面直徑方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位相同；與圖5相比較而言，振幅差異不變，相位達到成一致。

透射式相位調製鏡1的出射光經傳輸到達空間濾波鏡2時，雷射的振幅分布如圖7所示，圖7(a)是雷射橫截面上振幅分布立體圖，圖7(b)是雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅，可以看出此時雷射為中間主峰、旁邊旁瓣的形式；該雷射光束通過空間濾波鏡2時，旁瓣的光束被阻擋，中間主峰光束順利通過空間濾波鏡2的通光孔6；通過空間濾波鏡2之後的雷射如圖8所示意的，雷射模式去掉了旁瓣，只保留了中間的主峰光束；圖8(a)是輸出雷射橫截面上振幅分布立體圖，圖8(b)是輸出雷射振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅。

根據入射雷射的模式來調整透射式相位調製鏡1的入射面4；具體地，調整雷射入射面4的不同凹凸環的半徑與對應凹凸環的個數的變化，入射雷射模式的徑向節線圓數目與凹凸環的個數相等，同一個節線圓上的雷射入射在同一個雷射入射面4的圓環上，使得從出射面5輸出的光束的相位一致。

輸入雷射通過實施例提供的這種透射式雷射光束整形系統後，輸出雷射的模式單一，截面光斑能量分布連續，並且輸出雷射的發散角更小，輸出光束的方向性更好。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。