專利名稱：實(shí)現(xiàn)高斯光束整形的波紋鋸齒光闌的平均半徑的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用平均半徑與入射高斯光束束寬成一定比例的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌，來實(shí)現(xiàn)光束整形和勻化，結(jié)合空間濾波器，得到填充率較高，調(diào)制強(qiáng)度和光強(qiáng)對(duì)比度較小的近似平頂?shù)墓馐?，屬于高率激光器制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在實(shí)際應(yīng)用的激光器的光束光強(qiáng)分布中，很多情況下都是高斯或近高斯分布，很少有理想的平面波。而高斯分布的光強(qiáng)隨著半徑的增大會(huì)逐漸減弱，在后續(xù)放大中小于一定數(shù)值的能量不能有效放大，即降低了填充因子，不能充分利用后續(xù)放大工作物質(zhì)的儲(chǔ)能。 一般加入光闌來截掉光強(qiáng)小于一定數(shù)值的光，但由于圓孔邊緣的索末菲爾德波包在軸上各點(diǎn)都具有相同的位相，它們會(huì)同時(shí)干涉相長或相消，致使軸上光強(qiáng)存在強(qiáng)烈的衍射調(diào)制，即使不考慮小尺度自聚焦效應(yīng)對(duì)其的增強(qiáng)作用，它本身就會(huì)帶來高功率激光器的損傷問題。 因此高功率激光器的設(shè)計(jì)中，涉及到這樣一個(gè)基本問題在抑制光束菲涅耳衍射調(diào)制及由此而產(chǎn)生的小尺度自聚焦的前提下，如何保證增益介質(zhì)儲(chǔ)能的充分利用，即高的填充因子。 為此，可以通過圓孔光闌邊緣的波紋調(diào)制來錯(cuò)亂索末菲爾德波包的位相，從而減弱由此而產(chǎn)生的衍射調(diào)制，這就是波紋鋸齒光闌。它較為適用于高功率激光系統(tǒng)，其特點(diǎn)是抗損傷閾值高，因其是孔狀，它的插入或取出，不影響光路的調(diào)整，便于工程實(shí)用。目前，還沒有對(duì)高斯光束經(jīng)過調(diào)幅型波紋鋸齒光闌后的光強(qiáng)分布的研究和實(shí)驗(yàn)， 沒有明確光闌平均半徑的合理范圍。本發(fā)明內(nèi)容是利用調(diào)幅型波紋鋸齒光闌實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束的整形和勻化，以填充因子、調(diào)制強(qiáng)度和光強(qiáng)對(duì)比度作為標(biāo)準(zhǔn)，確定波紋鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束的束寬的比例，以實(shí)現(xiàn)與后續(xù)放大工作物質(zhì)尺寸相匹配，有效放大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服高斯光束填充因子低，提出一種提高光束填充因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束整形和勻化的裝置及方法。實(shí)現(xiàn)高斯光束整形的波紋鋸齒光闌的平均半徑的確定方法，其特征在于首先確定光闌半徑r，即r = aX (l+al*sin(5 θ ) sin (50 θ ))，其中a為平均半徑，取0. 001 0. ooaiual為調(diào)制深度，為0. 05，然后制作出不同平均半徑的光闌r進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算特征參數(shù)填充因子、調(diào)制強(qiáng)度、光強(qiáng)對(duì)比度，最后從特征參數(shù)中確定得到優(yōu)化的平均半徑a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60%到65%之間。具體的利用matlab軟件，生成半徑隨角度的變化關(guān)系為r = a*(l+al*sin5 θ *sin50 θ )的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌參數(shù)，其中a為平均半徑，在實(shí)驗(yàn)中a取不同的值(0.001 0.003m)，從中找到最優(yōu)的a值，即平均半徑。al為調(diào)制深度，一般al =0.05。將參數(shù)導(dǎo)入CAD里，用激光切割的方法，切割出對(duì)應(yīng)的光闌。由于此時(shí)光闌能截取較強(qiáng)的一部分光，提高了填充因子。又由于邊緣的不規(guī)則性，能錯(cuò)亂索末菲爾德波包在軸上相位，減弱在軸上和徑向調(diào)制強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高斯光束的整形和勻化。通過比較相同的高斯光束，經(jīng)過不同平均半徑的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌后光強(qiáng)的分布的特征參數(shù)(填充因子、調(diào)制強(qiáng)度、光強(qiáng)對(duì)比度)，確定了光束質(zhì)量最好時(shí)波紋鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的比例，得到波紋鋸齒光闌的平均半徑為高斯光束束寬的0.6至0. 65之間時(shí)，光束質(zhì)量最好， 分布最均勻，同時(shí)能量損失也在可以接受的范圍。本發(fā)明確定了對(duì)高斯光束實(shí)現(xiàn)整形的波紋鋸齒光闌的平均半徑與束寬的比，實(shí)現(xiàn)了高斯光束的整形和勻化，得到填充率較高的光束，本方法和裝置的優(yōu)點(diǎn)增大了光束的填充率；將高斯光束整形成了近平頂光束分布；保留了合理的能量；操作更為簡單，易于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)，本發(fā)明所述的方法可以廣泛應(yīng)用于高斯光束整形和勻化中，能夠明顯提高激光器后續(xù)放大增益介質(zhì)儲(chǔ)能的利用率、穩(wěn)定性和輸出功率。


圖1是入射光強(qiáng)的分布示意圖；圖2是平均半徑與束腰比例為0. 65的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌；圖3是高斯光束通過調(diào)幅型波紋鋸齒光闌后的徑向光強(qiáng)分布；圖4是高斯光束經(jīng)過不同平均半徑的調(diào)幅型鋸齒光闌后光強(qiáng)分布的特征參數(shù)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是在不銹鋼薄板上用激光切割的方法，切割出如圖2所示形狀的光闌，將它加入到高斯光束的激光光路中，測輸出光軸上和徑向上的光強(qiáng)分布。圖1是光強(qiáng)分布為高斯分布的入射光，陰影下的面積代表高斯光束束寬。然后用不同平均半徑的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌重復(fù)上述操作，分別計(jì)算并比較它們的特征參數(shù)，從中找出最優(yōu)的平均半徑，也就確定了在高斯光束整形和均勻過程中所要用的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的比。其中圖4橫坐標(biāo)代表鋸齒光闌的平均半徑，實(shí)線星號(hào)曲線(FF)代表填充因子， 虛線方框曲線(FR)代表調(diào)制強(qiáng)度，點(diǎn)劃線菱形(C)代表光強(qiáng)對(duì)比度，虛點(diǎn)線加號(hào)(EN)代表能量比，所得到的總能量與入射的總能量之比。工作原理如下光強(qiáng)分布成高斯分布的激光光束有著較低的填充因子，可以通過光闌截取一定范圍的能量來提高填充因子，但用圓光闌時(shí)，由于菲涅爾衍射，臨近邊緣處的面積在軸上的點(diǎn)具有相同的位相，因此產(chǎn)生相長干涉，因此在軸上會(huì)有光強(qiáng)很強(qiáng)的點(diǎn)，這樣很容易損壞后續(xù)放大的激光工作物質(zhì)，調(diào)幅型波紋鋸齒光闌就是要打亂這種一致性，減少軸上的光強(qiáng)調(diào)制，同時(shí)也能減少徑向的調(diào)制，同時(shí)提高填充因子。通過對(duì)不同平均半徑的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌的模擬和實(shí)驗(yàn)，比較不同平均半徑的調(diào)幅型波紋鋸齒光闌，相同高斯光束通過之后的光強(qiáng)分布的特征參數(shù)，見圖4可以知道在平均半徑為0. 0013時(shí)填充因子為0. 4647最大，調(diào)制強(qiáng)度為0. 4670最低，在0. 0012時(shí)光強(qiáng)對(duì)比度為0. 3065最低，所以可以確定調(diào)幅型波紋鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的比在百分之六十到百分之六十五之間最為合適，而此時(shí)的能量大概剩余百分之七十六到百分之七十九，也是在實(shí)際應(yīng)用中可以接受的。
權(quán)利要求
1.實(shí)現(xiàn)高斯光束整形的波紋鋸齒光闌的平均半徑的確定方法，其特征在于首先確定光闌半徑r，即 r = aX (l+al*sin(5 θ ) sin (50 θ ))，其中 a為平均半徑，取0. 001 0. 003m, al為調(diào)制深度，為0. 05，然后制作出不同平均半徑的光闌r進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算特征參數(shù)填充因子、調(diào)制強(qiáng)度、光強(qiáng)對(duì)比度，最后從特征參數(shù)中確定得到優(yōu)化的平均半徑a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60%到65%之間。
全文摘要
實(shí)現(xiàn)高斯光束整形的波紋鋸齒光闌的平均半徑的確定方法屬于激光領(lǐng)域。首先確定光闌半徑r，即r＝a×(1+a1*sin(5θ)sin(50θ))，其中a為平均半徑，取0.001～0.003m，a1為調(diào)制深度，為0.05，然后制作出不同平均半徑的光闌r進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算特征參數(shù)填充因子、調(diào)制強(qiáng)度、光強(qiáng)對(duì)比度，最后從特征參數(shù)中確定得到優(yōu)化的平均半徑a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60％到65％之間。本方法通過光闌截取一部分高斯光束的能量來提高填充率，通過光闌邊緣的不規(guī)則來減少調(diào)制強(qiáng)度，通過特征參數(shù)的計(jì)算，確定鋸齒光闌平均半徑與高斯光束束寬的最優(yōu)比，來得到光強(qiáng)分布比較好的輸出光束。本發(fā)明可廣泛用于大功率固體激光器中對(duì)高斯光束的整形和勻化、操作簡單、易于工程應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102540461SQ20121000135
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者孫哲, 惠勇凌, 朱占達(dá), 李強(qiáng), 王金國, 雷訇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)