一種光纖激光準直整形裝置及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖激光準直整形裝置及其設(shè)計方法，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光自發(fā)明W來，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域。相對于其它類型激光，光纖激光器 具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、熱管理方便等方面的優(yōu)勢，成為激光領(lǐng)域的重要 發(fā)展方向。目前，單模光纖激光器的最高輸出功率已超過lOkW。高功率高亮度光纖激光在 工業(yè)加工、材料處理、激光雷達、光電對抗、定向能技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。光纖激 光器輸出光束由于受到激光諧振腔結(jié)構(gòu)、增益分布等因素限制而只能具有特定光場分布， 但是在實際應(yīng)用中往往需要激光光場滿足一定分布W提高作用效能。例如在慣性約束核聚 變系統(tǒng)（1C巧中要求激光束強度分布均勻。輸入光束光強分布非均勻會導(dǎo)致"B積分"等 非線性效應(yīng)而造成激光介質(zhì)損傷，同時也會因為填充因子較低而不能保證高的能量提取效 率。為了提高系統(tǒng)安全運行通量及補償主放大器的增益不均勻性，需要對注入激光光束進 行全場整形，W期輸出近場調(diào)制度較低的"平頂"光束。
[0003] 由一系列反射鏡和分光鏡組成的高能激光傳輸和發(fā)射系統(tǒng)會不同程度地吸收部 分激光能量，產(chǎn)生溫升、應(yīng)力和變形，非均勻的近場強度分布會產(chǎn)生非均勻的熱變形甚至是 熱破壞。各反射鏡變形分布與近場強度分布相似，元件較多時，送種累加的非均勻熱變形將 嚴重影響光束質(zhì)量。隨著激光器輸出功率的增加，光強分布不均勻?qū)Ω吣芗す庀到y(tǒng)輸出光 束質(zhì)量的影響將更加顯著。當高能激光系統(tǒng)發(fā)射功率不變時，與均勻強度分布相比，非均勻 強度分布會在傳輸光路中產(chǎn)生更大的熱暈，影響強激光的遠場聚焦。所W高能激光的光強 分布應(yīng)該盡量均勻，W防止鏡面破壞、熱變形和不均勻熱暈造成的光束漂移與發(fā)散。通過對 激光器輸出光束光強分布進行均勻化處理，能夠顯著提高高能激光系統(tǒng)的發(fā)射光束質(zhì)量。 另外，在激光加工、數(shù)據(jù)處理、信息光學(xué)存儲、激光雷達、非線性光學(xué)、原子光學(xué)和材料科學(xué) 等應(yīng)用領(lǐng)域中，也都需要對入射激光光束的光強分布進行整形W提高作用效能。
[0004] 鑒于W上應(yīng)用需求，人們提出了許多光束整形技術(shù)。目前比較常用的激光光束整 形技術(shù)有切趾光闊光束整形技術(shù)、雙折射透鏡組光束整形技術(shù)、衍射光學(xué)元件光束整形技 術(shù)、液晶空間光調(diào)制器光束整形技術(shù)、微透鏡陣列光束整形技術(shù)等等。其中切趾光闊光束整 形技術(shù)和雙折射透鏡組光束整形技術(shù)，通過改變整形器的光強透過率來改變光束的光強分 布，能量利用效率比較低；衍射光學(xué)元件光束整形技術(shù)和液晶空間光調(diào)制器光束整形技術(shù) 不適用于高功率激光的光束整形；微透鏡陣列光束整形技術(shù)僅僅適用于光束的遠場焦斑形 狀整形。總體而言，目前常用的送幾種激光光束整形方法在用于高功率激光光束整形時均 存在各自的缺陷。
[0005] 相對于上述光束整形系統(tǒng)，雙非球面鏡光束整形系統(tǒng)在光束傳輸路徑上放置兩塊 非球面鏡，第一塊非球面鏡調(diào)整入射光束的相位分布在第二塊非球面鏡位置處形成所需要 的光強分布，第二塊非球面鏡負責(zé)補償光強整形后光束的相位分布，使得輸出光束不僅僅 具有所需要的光強分布，還具有近衍射極限的相位分布。然而，傳統(tǒng)的雙非球面鏡光束整形 系統(tǒng)存在很大的局限性。基于傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出來的面型分布，僅僅在當目標光束的口 徑遠大于入射光束口徑的情況下，才能得到較好的整形效果，在其它情況下存在很大的整 形誤差（目標光束光場與整形后輸出光束光場之間存在很大的偏差）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種光纖激光準直整形裝置及 其設(shè)計方法。本發(fā)明融合光束準直、光強整形和光強整形后光束波前校正于一體，不僅可W 改變光束的光強分布，還可W補償光強整形后光束的波前相位分布，使得整形后輸出光束 同時具有所需要的光強分布和近衍射極限的相位分布。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種光纖激光準直整形裝置，包括共軸設(shè)置于光纖激光器11所發(fā)射光束傳輸路 徑上的一號非球面透鏡1和二號非球面透鏡2,為了敘述簡便，在W下的敘述中，定義光束 傳輸?shù)姆较驗橛汕跋蚝髠鬏敚渲?，一號非球面透鏡1包括：用于實現(xiàn)對光纖激光器11出射 激光進行準直的前鏡面，該前鏡面的面型垂度Zs(r)的表達式為：
[0009]
[0010] 式中di為一號非球面透鏡1前鏡面中必與光纖激光器11出光端之間的距離，r為 光線在一號非球面透鏡1前鏡面照射點處與準直整形裝置中必軸線之間的垂直距離，Zs(r) 為相應(yīng)照射點處所對應(yīng)的面型垂度，如圖2所示；
[0011] W及用于實現(xiàn)對由一號非球面透鏡1前鏡面準直后出射激光進行光強整形的后 鏡面，該后鏡面的面型垂度z(r)的表達式為：
[0012]
[0013] 式中z(r)為一號非球面透鏡1后鏡面徑向位置r處的面型垂度；η為透鏡 使用材料的折射率；d為一號非球面透鏡1后鏡面中也、與二號非球面透鏡2前鏡面中 必之間的距離；h(x)為光線在一號非球面透鏡1后鏡面出射位置r和二號非球面透 鏡2前鏡面入射位置R之間的對應(yīng)關(guān)系，也即R=h(r) ;h(x)可W由能量守恒定理
求得，式中fiwut(r)和時分別為入射到一號非球面 透鏡1后鏡面的待光強整形光束的光強分布和目標光束的光強分布；準直整形系統(tǒng)的口徑 〇滿足〇>2(110，2(110為經(jīng)過一號非球面透鏡1前鏡面準直后的激光束的口徑尺寸，0為 光纖激光器11出光端激光的發(fā)散角（半角）：
，式中NA 為光纖激光器11光纖的數(shù)值孔徑，叫和Π2分別為光纖激光器11的光纖纖芯和包層的折射 率；
[0014] 二號非球面透鏡2包括；用于實現(xiàn)對光強整形后的激光進行相位補償?shù)那扮R面， 該前鏡面的面型垂度Z(R)的表達式為：
[0015]
[0016] 式中Z(R)為二號非球面透鏡2前鏡面徑向位置R處的面型垂度山和Hi分別為 由能量守恒定理通過
所求得的當r=R時的r值和R值， 也即hi=Hi;式中的h1(X)為光線在一號非球面透鏡1后鏡面出射位置r和二號非球面透 鏡2前鏡面入射位置R之間的對應(yīng)關(guān)系，也即r=h1佩；
[0017]W及后鏡面，該后鏡面為平面，不改變相位補償后輸出光束的傳輸方向。
[001引采用本發(fā)明可W達到W下技術(shù)效果：
[0019] 1.本發(fā)明提出的光纖激光準直整形裝置，簡單易操作，能夠同時完成激光光束準 直、光強整形、并對光強整形后光束實現(xiàn)相位補償?shù)裙δ?，克服了傳統(tǒng)光纖激光準直器僅僅 能夠完成單一的擴束準直功能的局限性。
[0020] 2.本發(fā)明提出的光纖激光準直整形裝置，適用范圍廣，不僅可W將光纖激光準直 整形為近衍射極限平頂光束，還可W將光纖激光準直整形為近衍射極限空必平頂、空必高 斯等其它光強分布光束。另外，該整形方法不僅僅可W將光纖激光準直整形為具有所需光 強分布的近衍射極限光束，還可W用于將其它光強對稱分布光束整形為具有所需要光強分 布的光束。
[0021] 3.本發(fā)明提出的光纖激光準直整形裝置，采用雙非球面透鏡，整個準直整形系統(tǒng) 不存在實焦點，可用于高功率和低功率光纖激光的準直整形。另外，本發(fā)明提出的光纖激光 準直整形新方法及裝置，能量利用率高，可W近似無能量損耗地將光纖激光準直整形為所 需要光強分布的近衍射極限光束。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置組成圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置中典型光線傳輸示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置設(shè)計方法流程圖；
[00巧]圖4為傳統(tǒng)雙非球面鏡整形系統(tǒng)整形輸出光束光強分布，圖中Target為目標光束 光強分布，Ou化ut為整形后輸出光束光強分布；
[0026] 圖5為傳統(tǒng)雙非球面鏡整形系統(tǒng)整形輸出光束相位分布；
[0027] 圖6為本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置整形輸出光束光強分布，圖中Target為 目標光束光強分布，Ou化ut為整形后輸出光束光強分布；
[0028] 圖7為本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置整形輸出光束相位分布。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步介紹：
[0030] 本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置包括共軸設(shè)置于光纖激光器11所發(fā)射光束傳 輸路徑上的一號非球面透鏡1和二號非球面透鏡2,如圖1和圖2所示，其具體工作過程如 下，光纖激光器11輸出光束通過一號非球面透鏡1的前鏡面后變?yōu)闇手惫馐?，準直光束?過一號非球面透鏡1的后鏡面，經(jīng)過后鏡面對其進行光強整形后，在二號非球面透鏡2的前 鏡面位置處形成具有所需光強分布的光束，此光束通過二號非球面透鏡2的前鏡面，并經(jīng) 前鏡面進行相位補償后，變?yōu)榫哂兴韫鈴姺植嫉臏手惫馐?，使得輸出激光束不僅僅具有 所需要的光強分布，還具有近衍射極限的相位分布，然后從二號非球面透鏡2的平面后鏡 面出射。
[0031] 本發(fā)明所述光纖激光準直整形裝置，構(gòu)建流程如圖3所示，具體采用如下步驟進 行構(gòu)建：
[0032] 1.一號非球面透鏡1的前鏡面主要用于對光纖激光器11出射激光進行準直，其面 型分布可W根據(jù)光纖激光器11出射激光的發(fā)散角Θ確定。光纖激光器11出射激光的發(fā) 散角Θ與光纖激光器11的數(shù)值孔徑NA具有如下的關(guān)系：
[0033]
(巧
[0034]式中ni和Π2分別為光纖激光器11的光纖纖芯和包層的折射率，Θ為光纖激光器 出射激光的發(fā)散角（半角）。
[0035] -號非球面透鏡1前鏡面的面型分布為：
[0036]
(2)
[0037] 式中di為一號非球面透鏡1前鏡面中必與光纖激光器11出光端的距離，r為光線 在一號非球面透鏡1前鏡面照射點與準直整形裝置中必軸線之間的垂直距離，Zs(r)為相應(yīng) 照射點處所對應(yīng)的