实现高斯光束整形的波纹锯齿光阑的平均半径的确定方法技术

实现高斯光束整形的波纹锯齿光阑的平均半径的确定方法属于激光领域。首先确定光阑半径r，即r＝a×(1+a1*sin(5θ)sin(50θ))，其中a为平均半径，取0.001～0.003m，a1为调制深度，为0.05，然后制作出不同平均半径的光阑r进行实验并计算特征参数：填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定得到优化的平均半径a的大小范围为入射高斯光束束宽的60％到65％之间。本方法通过光阑截取一部分高斯光束的能量来提高填充率，通过光阑边缘的不规则来减少调制强度，通过特征参数的计算，确定锯齿光阑平均半径与高斯光束束宽的最优比，来得到光强分布比较好的输出光束。本发明专利技术可广泛用于大功率固体激光器中对高斯光束的整形和匀化、操作简单、易于工程应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用平均半径与入射高斯光束束宽成一定比例的调幅型波纹锯齿光阑，来实现光束整形和勻化，结合空间滤波器，得到填充率较高，调制强度和光强对比度较小的近似平顶的光束，属于高率激光器制造领域。
技术介绍
在实际应用的激光器的光束光强分布中，很多情况下都是高斯或近高斯分布，很少有理想的平面波。而高斯分布的光强随着半径的增大会逐渐减弱，在后续放大中小于一定数值的能量不能有效放大，即降低了填充因子，不能充分利用后续放大工作物质的储能。 一般加入光阑来截掉光强小于一定数值的光，但由于圆孔边缘的索末菲尔德波包在轴上各点都具有相同的位相，它们会同时干涉相长或相消，致使轴上光强存在强烈的衍射调制，即使不考虑小尺度自聚焦效应对其的增强作用，它本身就会带来高功率激光器的损伤问题。 因此高功率激光器的设计中，涉及到这样一个基本问题在抑制光束菲涅耳衍射调制及由此而产生的小尺度自聚焦的前提下，如何保证增益介质储能的充分利用，即高的填充因子。 为此，可以通过圆孔光阑边缘的波纹调制来错乱索末菲尔德波包的位相，从而减弱由此而产生的衍射调制，这就是波纹锯齿光阑。它较为适用于高功率激光系统，其特点是抗损伤阈值高，因其是孔状，它的插入或取出，不影响光路的调整，便于工程实用。目前，还没有对高斯光束经过调幅型波纹锯齿光阑后的光强分布的研究和实验， 没有明确光阑平均半径的合理范围。本
技术实现思路
是利用调幅型波纹锯齿光阑实现对高斯光束的整形和勻化，以填充因子、调制强度和光强对比度作为标准，确定波纹锯齿光阑的平均半径与高斯光束的束宽的比例，以实现与后续放大工作物质尺寸相匹配，有效放大。专利技术内容本专利技术的目的在于克服高斯光束填充因子低，提出一种提高光束填充因子，实现对高斯光束整形和勻化的装置及方法。，其特征在于首先确定光阑半径r，即r = aX (l+al*sin(5 θ ) sin (50 θ ))，其中a为平均半径，取0. 001 0. ooaiual为调制深度，为0. 05，然后制作出不同平均半径的光阑r进行实验并计算特征参数填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定得到优化的平均半径a的大小范围为入射高斯光束束宽的60%到65%之间。具体的利用matlab软件，生成半径随角度的变化关系为r = a*(l+al*sin5 θ *sin50 θ )的调幅型波纹锯齿光阑参数，其中a为平均半径，在实验中a取不同的值(0.001 0.003m)，从中找到最优的a值，即平均半径。al为调制深度，一般al =0.05。将参数导入CAD里，用激光切割的方法，切割出对应的光阑。由于此时光阑能截取较强的一部分光，提高了填充因子。又由于边缘的不规则性，能错乱索末菲尔德波包在轴上相位，减弱在轴上和径向调制强度，实现了对高斯光束的整形和勻化。通过比较相同的高斯光束，经过不同平均半径的调幅型波纹锯齿光阑后光强的分布的特征参数(填充因子、调制强度、光强对比度)，确定了光束质量最好时波纹锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的比例，得到波纹锯齿光阑的平均半径为高斯光束束宽的0.6至0. 65之间时，光束质量最好， 分布最均勻，同时能量损失也在可以接受的范围。本专利技术确定了对高斯光束实现整形的波纹锯齿光阑的平均半径与束宽的比，实现了高斯光束的整形和勻化，得到填充率较高的光束，本方法和装置的优点增大了光束的填充率；将高斯光束整形成了近平顶光束分布；保留了合理的能量；操作更为简单，易于实现工程应用。本专利技术具有实质性的特点，本专利技术所述的方法可以广泛应用于高斯光束整形和勻化中，能够明显提高激光器后续放大增益介质储能的利用率、稳定性和输出功率。附图说明图1是入射光强的分布示意图；图2是平均半径与束腰比例为0. 65的调幅型波纹锯齿光阑；图3是高斯光束通过调幅型波纹锯齿光阑后的径向光强分布；图4是高斯光束经过不同平均半径的调幅型锯齿光阑后光强分布的特征参数。具体实施例方式本专利技术是在不锈钢薄板上用激光切割的方法，切割出如图2所示形状的光阑，将它加入到高斯光束的激光光路中，测输出光轴上和径向上的光强分布。图1是光强分布为高斯分布的入射光，阴影下的面积代表高斯光束束宽。然后用不同平均半径的调幅型波纹锯齿光阑重复上述操作，分别计算并比较它们的特征参数，从中找出最优的平均半径，也就确定了在高斯光束整形和均勻过程中所要用的调幅型波纹锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的比。其中图4横坐标代表锯齿光阑的平均半径，实线星号曲线(FF)代表填充因子， 虚线方框曲线(FR)代表调制强度，点划线菱形(C)代表光强对比度，虚点线加号(EN)代表能量比，所得到的总能量与入射的总能量之比。工作原理如下光强分布成高斯分布的激光光束有着较低的填充因子，可以通过光阑截取一定范围的能量来提高填充因子，但用圆光阑时，由于菲涅尔衍射，临近边缘处的面积在轴上的点具有相同的位相，因此产生相长干涉，因此在轴上会有光强很强的点，这样很容易损坏后续放大的激光工作物质，调幅型波纹锯齿光阑就是要打乱这种一致性，减少轴上的光强调制，同时也能减少径向的调制，同时提高填充因子。通过对不同平均半径的调幅型波纹锯齿光阑的模拟和实验，比较不同平均半径的调幅型波纹锯齿光阑，相同高斯光束通过之后的光强分布的特征参数，见图4可以知道在平均半径为0. 0013时填充因子为0. 4647最大，调制强度为0. 4670最低，在0. 0012时光强对比度为0. 3065最低，所以可以确定调幅型波纹锯齿光阑的平均半径与高斯光束束宽的比在百分之六十到百分之六十五之间最为合适，而此时的能量大概剩余百分之七十六到百分之七十九，也是在实际应用中可以接受的。权利要求1.，其特征在于首先确定光阑半径r，即 r = aX (l+al*sin(5 θ ) sin (50 θ ))，其中 a为平均半径，取0. 001 0. 003m, al为调制深度，为0. 05，然后制作出不同平均半径的光阑r进行实验并计算特征参数填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定得到优化的平均半径a的大小范围为入射高斯光束束宽的60%到65%之间。全文摘要属于激光领域。首先确定光阑半径r，即r＝a×(1+a1*sin(5θ)sin(50θ))，其中a为平均半径，取0.001～0.003m，a1为调制深度，为0.05，然后制作出不同平均半径的光阑r进行实验并计算特征参数填充因子、调制强度、光强对比度，最后从特征参数中确定得到优化的平均半径a的大小范围为入射高斯光束束宽的60％到65％之间。本方法通过光阑截取一部分高斯光束的能量来提高填充率，通过光阑边缘的不规则来减少调制强度，通过特征参数的计算，确定锯齿光阑平均半径与高斯光束束宽的最优比，来得到光强分布比较好的输出光束。本专利技术可广泛用于大功率固体激光器中对高斯光束的整形和匀化、操作简单、易于工程应用。文档编号G02B27/09GK102540461SQ20121000135公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日专利技术者孙哲, 惠勇凌, 朱占达, 李强, 王金国, 雷訇 申请人:北京工业大学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，王金国，朱占达，孙哲，惠勇凌，雷訇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：