專利名稱：空間相干調(diào)制的光束整形光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及激光光束整形光學系統(tǒng)，特別適用于對激光光強分布有要求的實 際應用光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著激光應用的逐漸成熟以及對激光技術(shù)研究的深入，一般高斯型光強分布的激 光已經(jīng)不能夠滿足應用的要求。例如在激光材料加工、激光熱處理、以及激光核聚變等實際 應用中，平頂光束比高斯光束更符合應用要求。又比如在微觀粒子無接觸操控，光鑷光學扳 手以及激光導管等應用中，局域空心光束在實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，用計算全息圓形波 帶片，以及用聚焦貝塞耳光束等方法來實現(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際應用中都需要一些特殊的光學元件，并且為了保證光束的相 干性，對所需的光學元件的精度以及實際操作都有所要求。因此，不管從成本還是從實際操 作上講，上述這些方法在光束整形的實際應用中并不簡便實用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是設計一種新的光路結(jié)構(gòu)提供一種通過控制光束相干度，從而 實現(xiàn)光束整形，達到一定實用要求的激光光束。本實用新型采用如下結(jié)構(gòu)實現(xiàn)空間相干調(diào)制的光束整形光學系統(tǒng)，包括依次設 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)動地設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上，毛玻璃后方固定有可變光闌。毛玻璃通過電機進行驅(qū)動。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采用如上光學系統(tǒng)，使本實用新型通過一種簡單的光束整形的方法，實現(xiàn)一種空 間相干調(diào)制的光束整形光學系統(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)，實現(xiàn)對激光光源的整形。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本 實用新型整形方式更靈活，適用范圍更廣，不僅能實現(xiàn)平頂光束以及空心光束，而且在選擇 適當?shù)墓怅@之后還能得到其他光束。另外，在實現(xiàn)上，本實用新型沒有復雜的光路系統(tǒng)，以 及昂貴的光學儀器。因此，不管從應用的要求上，實現(xiàn)的難度上，以及實用的成本上來講，本 實用新型都是一個較理想的光學系統(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比較均勻，對散斑的靈敏度較低等特點，實現(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現(xiàn)光束的 整形將是非常有意義的，本實用新型正是通過部分相干光束的獲得而實現(xiàn)。

圖1為本實用新型的光路結(jié)構(gòu)圖；圖2為獲得部分相干光束的理論模型；圖3為本實用新型中光闌的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為通過本實用新型整形所得的一種光斑圖；圖5為通過本實用新型整形所得的另一種光斑圖；圖6為通過本實用新型整形所得的再一種光斑圖；圖7為通過本實用新型整形所得的又一種光斑圖。
具體實施例下面為具體實施例本實用新型的空間相干調(diào)制的光束整形光學系統(tǒng)，如圖1所示，包括依次設置的 激光光源1，第一、第二光學凸透鏡2、3，可轉(zhuǎn)動的毛玻璃4，可變光闌5，CXD相機6和計算 機7。其中，CCD相機為采用電荷耦合器件作為光電轉(zhuǎn)換器件的數(shù)碼相機。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41驅(qū)動可轉(zhuǎn)動地設置于第一凸透鏡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。第二光學凸透鏡3設置于可變光闌5后方，第二光學凸透鏡3與可變光闌5之間 的距離d應為d大于f。CXD相機6設置于第二光學凸透鏡3后方，CXD相機6與第二光學凸透鏡3的距離 一般取第二光學凸透鏡3的焦距f，確切的距離可取第二光學凸透鏡3的焦距的前后5cm的 范圍。計算機7連接于CCD相機6的輸出端，通過CCD相機6以及計算機7，可直接觀察所 獲得光束的光強分布。當激光光源1經(jīng)第一凸透鏡2聚焦之后打到轉(zhuǎn)動的毛玻璃4上，毛玻璃4的隨機 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 變好，既可從一個非相干光源獲得部分相干光束。并且這個從非相干光源得到的部分相干 光的相干度可通過下式計算得到，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，O指的坐標原點；R指 的是源到接收面的距離，S指的是非相干光源，Δ S指的是一點光源，字母下標的1和2指的 是到達的兩個不同點。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，在透鏡的幾何焦點上便可得到滿足實用 要求的所需特定光束。通過CCD相機6以及一臺計算機7，可直接觀察所獲得光束的光強分布。下面是通過具體參數(shù)得到的光斑的實施例。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值為聚焦透鏡實際焦距。由C⑶相機拍攝得到的 實際光斑為如圖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相機拍攝得到的實際光斑為如圖5所示。在圖1所示光路圖中當光路圖中取參數(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值為聚焦透鏡實際焦距。由 C⑶相機拍攝得到的實際光斑為如圖6所示。其中局域空心光斑，ω0 = 4. 5mm,a = 1. 2mm, b = 3mm, ε = 0· 4。(a)所對應的f值為f = 18. 4cm ； (b)所對應的f值為f = 19. 5cm，而 其空心光斑的空心半徑為r = 0. 058mm ； (c)所對應的f值為f = 20cm，其空心光斑的空心 半徑為r = 0. 135mm ； (d)所對應的f值為f = 21. 5cm。當圖 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值為聚焦透鏡實際焦距。由C⑶拍攝得到的實際 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) 所對應的f值為f = 18. 5cm ； (b)所對應的f值為f = 19. 5cm,而其空心光斑的空心半徑為 r = 0. 059mm ； (c)所對應的f值為f = 20cm,其空心光斑的空心半徑為r = 0. 175mm ； (d) 所對應的f值為f = 21cm。
權(quán)利要求一種空間相干調(diào)制的光束整形光學系統(tǒng)，其特征在于包括依次設置的激光光源、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)動地設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)制的光束整形光學系統(tǒng)，其特征在于上述毛玻 璃通過電機進行驅(qū)動。
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。
專利摘要本實用新型公開了一種空間相干調(diào)制的光束整形光學系統(tǒng)，其包括依次設置的激光光源、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)動地設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)，實現(xiàn)對激光光源的整形。本實用新型整形方式更靈活，適用范圍更廣，不僅能實現(xiàn)平頂光束以及空心光束，而且在選擇適當?shù)墓怅@之后還能得到其他光束。另外，在實現(xiàn)上，本實用新型沒有復雜的光路系統(tǒng)，以及昂貴的光學儀器。本實用新型都是一個較理想的光學系統(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