專利名稱：用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器件，特別是一種用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代光學(xué)中，特別是激光應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)束器是一種常用的光束變換器。通常 有兩種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束結(jié)構(gòu)倒開普勒結(jié)構(gòu)與倒伽利略結(jié)構(gòu)。倒開普勒結(jié)構(gòu)如圖l所示， 擴(kuò)束器是一個(gè)小焦距凸透鏡與一個(gè)大焦距凸透鏡同軸串聯(lián)構(gòu)成，且小焦距凸透鏡的 物方焦點(diǎn)與大焦距凸透鏡的像方焦點(diǎn)重合，則擴(kuò)束比等于兩個(gè)透鏡焦距之比。若要 增大擴(kuò)束比，就必須增加大焦距凸透鏡的焦距，或者減小小焦距凸透鏡的焦距。對 于大擴(kuò)束比的擴(kuò)束器來說，兩凸透鏡間距會(huì)很大， 一般都需要較長的鏡筒，而且常 用光束擴(kuò)束器一般都是僅有一種擴(kuò)束比，這在應(yīng)用中非常不便。
對于高功率激光系統(tǒng)，因?yàn)槠漭敵龉β蚀螅瑔紊愿?，在激光輸出之前需要?真空條件下進(jìn)行大倍率擴(kuò)束，同時(shí)在擴(kuò)束器內(nèi)部都要加入一個(gè)小孔構(gòu)成空間濾波器， 改善輸出光束質(zhì)量。如圖2所示，倒開普勒結(jié)構(gòu)加入小孔后作為一個(gè)整體被密封于 真空之內(nèi)，擴(kuò)束比不可再變，而且大擴(kuò)束比意味著長鏡筒；倒伽利略結(jié)構(gòu)由于不能 構(gòu)成空間濾波器結(jié)構(gòu)，造成光束質(zhì)量下降，波前不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于高功率激光系統(tǒng)的 大倍率擴(kuò)束器，本發(fā)明的特點(diǎn)是對于確定的一組透鏡，本結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束比通過調(diào)節(jié) 透鏡間距可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)；二是對于給定要求的擴(kuò)束比，通過透鏡焦距 的選擇可找到一個(gè)最小間距，比普通擴(kuò)束器節(jié)省空間。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依次的第一凸透鏡、濾 波小孔、凹透鏡和第二凸透鏡構(gòu)成，所述的濾波小孔位于第一凸透鏡的后焦點(diǎn)，上 述元件的位置滿足下列關(guān)系<formula>formula see original document page 3</formula>其中丄,是濾波小孔與凹透鏡的間距，丄2是凹透鏡與第二凸透鏡的間距，/。、
/和/2分別是第一凸透鏡、凹透鏡和第二凸透鏡的焦距，/ 為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。
所述的第一凸透鏡的口徑r。應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡的口徑
r,由r。、 /Q、丄,共同決定，且滿足^2i^//。；所述的第二凸透鏡的口徑^由系統(tǒng)
要求的擴(kuò)束比/ 及r。決定，且滿足^2^"。。 本發(fā)明的技術(shù)效果
由于凹透鏡的加入，使有限空間下擴(kuò)束倍率的調(diào)節(jié)范圍得以提高，凹透鏡以及 凸透鏡的選擇可以實(shí)現(xiàn)在相同的擴(kuò)束比的前提下利用最小的軸向空間；此外，本發(fā) 明擴(kuò)束器中加入了一個(gè)小孔濾波器，起到光束整形的作用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本 低，調(diào)節(jié)范圍大，可以應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)的擴(kuò)束。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明
本發(fā)明大倍率擴(kuò)束器的擴(kuò)束比通過調(diào)節(jié)透鏡間距可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)； 對于給定的擴(kuò)束比，通過透鏡焦距的選擇可尋找到一個(gè)最小間距，比普通的擴(kuò)束器 節(jié)省空間。
本發(fā)明的大倍率擴(kuò)束器應(yīng)用到高功率激光系統(tǒng)中，是將第一凸透鏡、濾波小孔 和凹透鏡作為一個(gè)整體真空條件下封裝于激光系統(tǒng)內(nèi)，那么通過第二凸透鏡的焦距 選擇以及凹透鏡與第二凸透鏡之間的距離調(diào)節(jié)可以獲得較大范圍內(nèi)不同的擴(kuò)束比。
由光路可逆原理可知，倒置本結(jié)構(gòu)可用于光束縮束。


圖1為普通擴(kuò)束器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為已有的高功率激光器中常用擴(kuò)束器。
圖3為本發(fā)明高功率激光系統(tǒng)中的大倍率擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)及參量示意圖。
圖4是本發(fā)明擴(kuò)束器的擴(kuò)束比的可調(diào)諧特征。
圖5是本發(fā)明擴(kuò)束器應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中擴(kuò)束比的可調(diào)諧特征。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
先請參閱圖3，圖3為本發(fā)明用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)及參 量示意圖。由圖可見，本發(fā)明用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依 次的第一凸透鏡l、濾波小孔2、凹透鏡3和第二凸透鏡4構(gòu)成，所述的濾波小孔2
位于第一凸透鏡1的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列關(guān)系:
丄f
其中丄,是濾波小孔2與凹透鏡3的間距，^是凹透鏡3與第二凸透鏡4的間 距，/Q、,和/2分別是第一凸透鏡1、凹透鏡3與第二凸透鏡4的焦距，P為擴(kuò)束 器的擴(kuò)束比。
所述的第一凸透鏡1的口徑r。應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡3的
口徑。由r。、 Z。、丄,共同決定，且滿足。2 所述的第二凸透鏡4的口徑^由
系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比/ 及r。決定，且滿足r2 2 -r。。
根據(jù)系統(tǒng)對擴(kuò)束器擴(kuò)束比、空間長度的具體要求，結(jié)合本發(fā)明用于高功率激光 系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器的各參量滿足的關(guān)系，確定系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。
1、 在功率較低的光學(xué)系統(tǒng)中，對于給定的/。、 y;、 /2，可以實(shí)現(xiàn)/ (丄)的連續(xù)
可調(diào)。如/。=0.5、 乂=0.15、 /2=1.2時(shí)，主要調(diào)節(jié)^即可得到大范圍的/ 變化， 如圖4所示。
2、 在功率較低的光學(xué)系統(tǒng)中，對于給定要求的^，通過/、 /2的適當(dāng)選擇，可 以達(dá)到￡(/，/2)的最小值。
3、 對于高功率激光系統(tǒng)，將第一凸透鏡l、空間濾波器2、凹透鏡3作為一個(gè)
整體封裝于激光系統(tǒng)，用作激光系統(tǒng)的輸出端。那么/。、 y;、丄,不可再變，通過調(diào)
節(jié)丄2同時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)?/2可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比"的變化。如/。=0.5、 /=0.15、丄1=1時(shí)， 擴(kuò)束比/ 與/2、丄2變化關(guān)系如圖5所示。
透鏡孔徑的選擇第一凸透鏡1的口徑r。由輸入光束口徑?jīng)Q定，不能小于輸入 光束口徑；凹透鏡3的口徑。由r。、 /Q、 A共同決定，且滿足/",2i^//。；第二凸
透鏡4的口徑r2由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比及r。決定，且滿足r2 2 "r。。
系統(tǒng)中的透鏡口徑由擴(kuò)束器的輸入光束束寬以及擴(kuò)束比決定。對于功率較低的 光學(xué)系統(tǒng)，對于透鏡以及空間長度^、 ^的選擇沒有多大要求。但對于高功率激光
系統(tǒng)，透鏡的表面一般要鍍膜以加強(qiáng)必要的光學(xué)特性，考慮到膜層與透鏡的破壞閾
值，會(huì)對丄,、丄2的選擇加入必要的限制，這在應(yīng)用中必須注意。
本發(fā)明用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，由于凹透鏡的加入，使有限空間 下擴(kuò)束比的調(diào)節(jié)范圍得以提高，凹透鏡以及凸透鏡的選擇可以實(shí)現(xiàn)在相同的擴(kuò)束比 的前提下利用最小的軸向空間；此外，擴(kuò)束器中加入了一個(gè)小孔濾波器，起到光束 整形的作用。
總之，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于高功率 激光系統(tǒng)的擴(kuò)束。
權(quán)利要求
1、一種用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，特征在于由同光軸的依次的第一凸透鏡(1)、濾波小孔(2)、凹透鏡(3)和第二凸透鏡(4)構(gòu)成，所述的濾波小孔(2)位于第一凸透鏡(1)的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列關(guān)系
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，其特征在 于所述的第一凸透鏡(1)的口徑r0應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡(3) 的口徑r由r0, f0、 L1共同決定，且滿足r1≥L1r1/f0所述的第二凸透鏡(4)的口 徑r2由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比β及r。決定，且滿足r2≥βr。。
全文摘要
一種用于高功率激光系統(tǒng)的大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依次的第一凸透鏡、濾波小孔、凹透鏡和第二凸透鏡構(gòu)成，所述的濾波小孔位于第一凸透鏡的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列關(guān)系其中L₁是濾波小孔與凹透鏡的間距，L₂是凹透鏡與第二凸透鏡的間距，f₀、f₁和f₂分別是第一凸透鏡、凹透鏡和第二凸透鏡的焦距，β為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101201457SQ20071017190
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者孫美智, 俊 康, 謝興龍, 陳紹和 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所