專利名稱：空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光光束整形光學(xué)系統(tǒng)，特別適用于對激光光強(qiáng)分布有要求的實(shí) 際應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著激光應(yīng)用的逐漸成熟以及對激光技術(shù)研究的深入，一般高斯型光強(qiáng)分布的激 光已經(jīng)不能夠滿足應(yīng)用的要求。例如在激光材料加工、激光熱處理、以及激光核聚變等實(shí)際 應(yīng)用中，平頂光束比高斯光束更符合應(yīng)用要求。又比如在微觀粒子無接觸操控，光鑷光學(xué)扳 手以及激光導(dǎo)管等應(yīng)用中，局域空心光束在實(shí)用中的地位更是無法替代。在平頂光束的獲得上，以往采用的是吸收濾光片、微透鏡列陣以及衍射光學(xué)等方 法制造的儀器。而對于局域空心光束，有人提出用球差透鏡和投影透鏡，用計(jì)算全息圓形波 帶片，以及用聚焦貝塞耳光束等方法來實(shí)現(xiàn)。然而，不管是平頂光束還是局域空心光束，上 述這些方法制造的儀器在實(shí)際應(yīng)用中都需要一些特殊的光學(xué)元件，并且為了保證光束的相 干性，對所需的光學(xué)元件的精度以及實(shí)際操作都有所要求。因此，不管從成本還是從實(shí)際操 作上講，上述這些方法在光束整形的實(shí)際應(yīng)用中并不簡便實(shí)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種新的光路結(jié)構(gòu)提供一種通過控制光束相干度，從而 實(shí)現(xiàn)光束整形，達(dá)到一定實(shí)用要求的激光光束。本實(shí)用新型采用如下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，包括依次設(shè) 置的激光光源、相干度控制系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)。相干控制系統(tǒng)包括第一凸透鏡，毛玻璃和可變光闌；聚焦系統(tǒng)包括第二凸透 鏡；激光光源為第一凸透鏡的入射光源，毛玻璃可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于第一凸透鏡與第二凸透鏡 之間并位于第一凸透鏡的焦點(diǎn)上，毛玻璃后方固定有可變光闌。毛玻璃通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。激光光源與第一凸透鏡之間的距離在0-3cm之間；可變光闌與毛玻璃之間距離為 0_5mmo采用如上光學(xué)系統(tǒng)，使本實(shí)用新型通過一種簡單的光束整形的方法，實(shí)現(xiàn)一種空 間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三部分，既激光光源，相干度控制系統(tǒng)，聚焦 系統(tǒng)。通過相干度控制系統(tǒng)以及聚焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對激光光源的整形。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本 實(shí)用新型整形方式更靈活，適用范圍更廣，不僅能實(shí)現(xiàn)平頂光束以及空心光束，而且在選擇 適當(dāng)?shù)墓怅@之后還能得到其他光束。另外，在實(shí)現(xiàn)上，本實(shí)用新型沒有復(fù)雜的光路系統(tǒng)，以 及昂貴的光學(xué)儀器。因此，不管從應(yīng)用的要求上，實(shí)現(xiàn)的難度上，以及實(shí)用的成本上來講，本 實(shí)用新型都是一個(gè)較理想的光學(xué)系統(tǒng)。已有技術(shù)中考慮完全相干光作為光束光源，其方法不夠?qū)嵱?。然而由于部分相?光存在的普遍性，以及部分相干光相對于完全相干光具有光強(qiáng)比較均勻，對散斑的靈敏度較低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)部分相干光的光束整形，即通過控制部分相干光的相干度來實(shí)現(xiàn)光束的 整形將是非常有意義的，本實(shí)用新型正是通過部分相干光束的獲得而實(shí)現(xiàn)。

圖1為本實(shí)用新型的光路結(jié)構(gòu)圖；圖2為獲得部分相干光束的理論模型；圖3為本實(shí)用新型中光闌的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為通過本實(shí)用新型整形所得的一種光斑圖；圖5為通過本實(shí)用新型整形所得的另一種光斑圖；圖6為通過本實(shí)用新型整形所得的再一種光斑圖；圖7為通過本實(shí)用新型整形所得的又一種光斑圖。
具體實(shí)施例下面為具體實(shí)施例本實(shí)用新型的空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括依次設(shè)置的 激光光源1，第一、第二光學(xué)凸透鏡2、3，可轉(zhuǎn)動(dòng)的毛玻璃4，可變光闌5，CXD相機(jī)6和計(jì)算 機(jī)7。其中，CCD相機(jī)為采用電荷耦合器件作為光電轉(zhuǎn)換器件的數(shù)碼相機(jī)。激光光源1為第一凸透鏡2的入射光源，激光光源1與第一凸透鏡2之間的距離 理論上不受限制，但為了減少能量損失，此距離一般控制在0-3cm之間。毛玻璃4通過電機(jī)41驅(qū)動(dòng)可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于第一凸透鏡2與第二凸透鏡3之間并 位于第一凸透鏡2的焦點(diǎn)上，第一凸透鏡2 —般取短焦距透鏡。毛玻璃4后方固定有可變光闌5，可變光闌5與毛玻璃4之間距離為0_5mm。第二光學(xué)凸透鏡3設(shè)置于可變光闌5后方，第二光學(xué)凸透鏡3與可變光闌5之間 的距離d應(yīng)為d大于f。CXD相機(jī)6設(shè)置于第二光學(xué)凸透鏡3后方，CXD相機(jī)6與第二光學(xué)凸透鏡3的距離 一般取第二光學(xué)凸透鏡3的焦距f，確切的距離可取第二光學(xué)凸透鏡3的焦距的前后5cm的 范圍。計(jì)算機(jī)7連接于CCD相機(jī)6的輸出端，通過CCD相機(jī)6以及計(jì)算機(jī)7，可直接觀察所 獲得光束的光強(qiáng)分布。當(dāng)激光光源1經(jīng)第一凸透鏡2聚焦之后打到轉(zhuǎn)動(dòng)的毛玻璃4上，毛玻璃4的隨機(jī) 表面破壞了激光光束的相干性，在通過毛玻璃4之后光束為非相干光。在毛玻璃4之后放 置一個(gè)可變光闌5，從光闌5出射的光束在傳輸一段距離后由非相干光束變?yōu)椴糠窒喔晒猓?其空間相干度可由式(1)計(jì)算得到。部分相干光束的獲得——利用范西泰特-策尼克定理 構(gòu)造特定相干度的部分相干光束。如圖2所示，根據(jù)范西泰特_策尼克定理非相干光源經(jīng)傳輸之后光束的相干度會(huì) 變好，既可從一個(gè)非相干光源獲得部分相干光束。并且這個(gè)從非相干光源得到的部分相干 光的相干度可通過下式計(jì)算得到，即 其中 上式中，λ ^為入射光的波長，ζ為傳輸距離。因此根據(jù)式⑴可知，若是在積分區(qū) 域上加以限定，也就是控制S區(qū)域的大小與形狀便可實(shí)現(xiàn)對光束空間相干度的調(diào)制，從而 得到具有特殊相干度分布的部分相干光。其中x、y和Z指的是坐標(biāo)，O指的坐標(biāo)原點(diǎn)；R指 的是源到接收面的距離，S指的是非相干光源，Δ S指的是一點(diǎn)光源，字母下標(biāo)的1和2指的 是到達(dá)的兩個(gè)不同點(diǎn)。M為接收平面。因此，在第二凸透鏡聚2焦前光束為部分相干光。通過可變光闌5得到具有特定 相干度的部分相干光，而經(jīng)第二凸透鏡3的聚焦，在透鏡的幾何焦點(diǎn)上便可得到滿足實(shí)用 要求的所需特定光束。通過CCD相機(jī)6以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)7，可直接觀察所獲得光束的光強(qiáng)分布。下面是通過具體參數(shù)得到的光斑的實(shí)施例。如圖3所示可變光闌結(jié)構(gòu)，光闌為環(huán)形光闌，其中a為內(nèi)徑b為外徑。在圖1 所示光路圖中取參數(shù) d = 1. 5m，a = 0，b = 3mm, ω。= 4. 5mm, f = 20cm。 其中Qci值為毛玻璃上的光斑半徑大小，f值為聚焦透鏡實(shí)際焦距。由C⑶相機(jī)拍攝得到的 實(shí)際光斑為如圖4所示。在圖1 所示光路圖中取參數(shù) d = 1. 5m，a = 0，b = 3mm，COtl = 4. 5mm，f = 5cm。由 CCD相機(jī)拍攝得到的實(shí)際光斑為如圖5所示。在圖1所示光路圖中當(dāng)光路圖中取參數(shù)為d = 1. 5m，a = 1. 2mm, b = 3mm, ε = 0. 4，= 4. 5mm，f = 20cm。其中ω Q值為透鏡的直徑大小，f值為聚焦透鏡實(shí)際焦距。由 C⑶相機(jī)拍攝得到的實(shí)際光斑為如圖6所示。其中局域空心光斑，ω0 = 4. 5mm,a = 1. 2mm, b = 3mm, ε = 0· 4。(a)所對應(yīng)的f值為f = 18. 4cm ； (b)所對應(yīng)的f值為f = 19. 5cm，而 其空心光斑的空心半徑為r = 0. 058mm ； (c)所對應(yīng)的f值為f = 20cm，其空心光斑的空心 半徑為r = 0. 135mm ； (d)所對應(yīng)的f值為f = 21. 5cm。當(dāng)圖 1 所示光路圖中取參數(shù)為 d = 1. 5m，a = 2. 4mm, b = 3mm, ε = 0· 8，ω。=4.5mm。其中ω^值為透鏡的直徑大小，f值為聚焦透鏡實(shí)際焦距。由C⑶拍攝得到的實(shí)際 光斑為入圖7所示；其中局域空心光斑，ω。= 4. 5匪，a = 2. 4匪，b = 3匪，ε =0.8。(a) 所對應(yīng)的f值為f = 18. 5cm ； (b)所對應(yīng)的f值為f = 19. 5cm,而其空心光斑的空心半徑為 r = 0. 059mm ； (c)所對應(yīng)的f值為f = 20cm,其空心光斑的空心半徑為r = 0. 175mm ； (d) 所對應(yīng)的f值為f = 21cm。
權(quán)利要求一種空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括依次設(shè)置的激光光源、相干度控制系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于相干控制 系統(tǒng)包括第一凸透鏡，毛玻璃和可變光闌；聚焦系統(tǒng)包括第二凸透鏡；激光光源為第一 凸透鏡的入射光源，毛玻璃可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于第一凸透鏡與第二凸透鏡之間并位于第一凸透 鏡的焦點(diǎn)上，毛玻璃后方固定有可變光闌。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于上述毛玻 璃通過電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于激光 光源與第一凸透鏡之間的距離在0-3cm之間；可變光闌與毛玻璃之間距離為0-5mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種空間相干調(diào)制的光束整形光學(xué)系統(tǒng)，其包括依次設(shè)置的激光光源、相干度控制系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，相干控制系統(tǒng)包括第一凸透鏡，毛玻璃和可變光闌；聚焦系統(tǒng)包括第二凸透鏡；激光光源為第一凸透鏡的入射光源，毛玻璃可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于第一凸透鏡與第二凸透鏡之間并位于第一凸透鏡的焦點(diǎn)上，毛玻璃后方固定有可變光闌。通過相干度控制系統(tǒng)以及聚焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對激光光源的整形。本實(shí)用新型整形方式更靈活，適用范圍更廣，不僅能實(shí)現(xiàn)平頂光束以及空心光束，而且在選擇適當(dāng)?shù)墓怅@之后還能得到其他光束。另外，在實(shí)現(xiàn)上，本實(shí)用新型沒有復(fù)雜的光路系統(tǒng)，以及昂貴的光學(xué)儀器。本實(shí)用新型都是一個(gè)較理想的光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號G02B26/02GK201637928SQ20092018350
公開日2010年11月17日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者林惠川, 董梅梅, 蒲繼雄, 陳子陽, 陳寶算 申請人:華僑大學(xué)