[发明专利]一种光纤激光准直整形装置及其设计方法

权利要求书

1.一种光纤激光准直整形装置，包括共轴设置于光纤激光器(11)所发射光束传输路径上的一号非球面透镜(1)和二号非球面透镜(2)，其中，一号非球面透镜(1)包括：用于实现对光纤激光器(11)出射激光进行准直的前镜面，该前镜面的面型垂度Z_S(r)的表达式为：

ZS(r)=2d1-4d12-r2]]>

式中d₁为一号非球面透镜(1)前镜面中心与光纤激光器(11)出光端之间的距离，r为光线在一号非球面透镜(1)前镜面照射点处与准直整形装置中心轴线之间的垂直距离，Z_S(r)为相应照射点处所对应的面型垂度；

以及用于实现对由一号非球面透镜(1)前镜面准直后出射激光进行光强整形的后镜面，该后镜面的面型垂度z(r)的表达式为：

z(r)=∫0r{(n2-1)+[(n-1)dh(x)-x]2}-1/2dx,0<r<h1]]>

z(r)=z(h1)-∫h1r{(n2-1)+[(n-1)dh(x)-x]2}-1/2dx,h1<r<D/2]]>

式中z(r)为一号非球面透镜(1)后镜面径向位置r处的面型垂度，n为透镜使用材料的折射率，d为一号非球面透镜(1)后镜面中心与二号非球面透镜(2)前镜面中心之间的距离，h(x)为光线在一号非球面透镜(1)后镜面出射位置r和二号非球面透镜(2)前镜面入射位置R之间的对应关系，也即R＝h(r)，h(x)可以由能量守恒定理通过求得，式中f_input(r)和g_target(R)分别为入射到一号非球面透镜(1)后镜面的待光强整形光束的光强分布和目标出射光束的光强分布，准直整形系统的口径D满足D≥2d₁θ，2d₁θ为经过一号非球面透镜(1)前镜面准直后的激光光束的口径尺寸，θ为光纤激光器(11)出光端激光的发散半角，式中NA为光纤激光器(11)光纤的数值孔径，n₁和n₂分别为光纤激光器(11)的光纤纤芯和包层的折射率；

二号非球面透镜(2)包括：用于实现对光强整形后的激光进行相位补偿的前镜面，该前镜面的面型垂度Z(R)的表达式为：

Z(R)=∫0R{(n2-1)+[(n-1)dh-1(x)-x]2}-1/2dx,0<R<H1]]>

Z(R)=Z(H1)-∫H1R{(n2-1)+[(n-1)dh-1(x)-x]2}-1/2dx,H1<R<D/2]]>

式中Z(R)为二号非球面透镜(2)前镜面径向位置R处的面型垂度，h₁和H₁分别为由能量守恒定理通过所求得的当r＝R时的r值和R值，也即h₁＝H₁，式中的h^-1(x)为光线在一号非球面透镜(1)后镜面出射位置r和二号非球面透镜(2)前镜面入射位置R之间的对应关系，也即r＝h^-1(R)；

以及后镜面，该后镜面为平面。

2.一种如权利要求1所述光纤激光准直整形装置的设计方法，该方法包括如下步骤：

1)一号非球面透镜(1)前镜面的面型分布根据光纤激光器(11)出射激光的发散角θ确定，光纤激光器(11)出射激光的发散角θ与光纤激光器(11)的数值孔径NA具有如下的关系：

θ=arc sin(NA)=arc sin(n12-n22)]]>

式中n₁和n₂分别为光纤激光器(11)的光纤纤芯和包层的折射率，θ为光纤激光器出射激光的发散半角；

一号非球面透镜(1)前镜面的面型分布为：

ZS(r)=2d1-4d12-r2]]>

式中d₁为一号非球面透镜(1)前镜面中心与光纤激光器(11)出光端的距离，r为光线在一号非球面透镜(1)前镜面照射点与准直整形装置中心轴线之间的垂直距离，Z_S(r)为相应照射点处所对应的面型垂度，准直整形系统的口径D满足D≥2d₁θ，2d₁θ为经过一号非球面透镜(1)前镜面准直之后的光束的口径尺寸，不同尺寸的准直后待整形光束和目标光束之间的整形，需要一号非球面镜(1)后镜面和二号非球面镜(2)前镜面具有不同的面型分布，根据目标光束的参数和光纤激光的发散角θ，优化确定d₁的取值大小；

2)根据光纤激光经过一号非球面透镜(1)的前镜面准直之后光束的光强分布，选取通过光斑中心的光强分布截图，采用具有不同束腰半径的高斯函数作为基函数拟合经过准直之后的光纤激光光强分布，如下式所示：

finput(r)=Σiaiexp(-2r2wi2)]]>

式中w_i和a_i分别为高斯函数的束腰半径和相应的权重因子，f_input(r)为准直后待整形的光束光强分布；

3)根据第2步拟合得到的待整形光束光强分布f_input(r)和所要实现的目标光束光强分布g_target(r)，设计光束准直整形装置一号非球面透镜(1)后镜面的面型分布和二号非球面透镜(2)前镜面的面型分布，具体步骤如下：

3.1)根据第2步拟合得到的光强分布f_input(r)和所要实现的目标光强分布g_target(r)，基于能量守恒定律计算得到光纤激光在一号非球面透镜(1)后镜面径向出射位置r与光纤激光在二号非球面透镜(2)前镜面的径向入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)；

3.2)根据3.1)步计算出的光纤激光在一号非球面透镜(1)后镜面的出射位置r与光纤激光在二号非球面透镜(2)前镜面的入射位置R之间的对应关系R＝h(r)与r＝h^-1(R)，设计光束准直整形系统一号非球面透镜(1)后镜面和二号非球面透镜(2)前镜面的面型分布，分别用z(r)和Z(R)表示：

z(r)=∫0r{(n2-1)+[(n-1)dh(x)-x]2}-1/2dx,0<r<h1]]>

z(r)=z(h1)-∫h1r{(n2-1)+[(n-1)dh(x)-x]2}-1/2dx,h1<r<D/2]]>

Z(R)=∫0R{(n2-1)+[(n-1)dh-1(x)-x]2}-1/2dx,0<R<H1]]>

Z(R)=Z(H1)-∫H1R{(n2-1)+[(n-1)dh-1(x)-x]2}-1/2dx,H1<R<D/2]]>

式中z(r)为一号非球面透镜(1)后镜面径向位置r处的面型垂度，Z(R)为二号非球面透镜(2)前镜面径向位置R处的面型垂度，n为透镜使用材料的折射率，d为一号非球面透镜(1)后镜面与二号非球面透镜(2)前镜面之间的距离，h₁和H₁分别为由式所求得的当r＝R时的r值和R值，也即h₁＝H₁；

二号非球面透镜(2)后镜面的面形分布为平面，不改变整形后输出光束的传输方向。