[发明专利]一种光纤激光准直整形装置及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光准直整形装置及其设计方法，属于光学技术领域。

背景技术

激光自发明以来，已经被广泛应用在许多领域。相对于其它类型激光，光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、热管理方便等方面的优势，成为激光领域的重要发展方向。目前，单模光纤激光器的最高输出功率已超过10kW。高功率高亮度光纤激光在工业加工、材料处理、激光雷达、光电对抗、定向能技术等领域有着广泛的应用前景。光纤激光器输出光束由于受到激光谐振腔结构、增益分布等因素限制而只能具有特定光场分布，但是在实际应用中往往需要激光光场满足一定分布以提高作用效能。例如在惯性约束核聚变系统(ICF)中要求激光束强度分布均匀。输入光束光强分布非均匀会导致“B积分”等非线性效应而造成激光介质损伤，同时也会因为填充因子较低而不能保证高的能量提取效率。为了提高系统安全运行通量及补偿主放大器的增益不均匀性，需要对注入激光光束进行全场整形，以期输出近场调制度较低的“平顶”光束。

由一系列反射镜和分光镜组成的高能激光传输和发射系统会不同程度地吸收部分激光能量，产生温升、应力和变形，非均匀的近场强度分布会产生非均匀的热变形甚至是热破坏。各反射镜变形分布与近场强度分布相似，元件较多时，这种累加的非均匀热变形将严重影响光束质量。随着激光器输出功率的增加，光强分布不均匀对高能激光系统输出光束质量的影响将更加显著。当高能激光系统发射功率不变时，与均匀强度分布相比，非均匀强度分布会在传输光路中产生更大的热晕，影响强激光的远场聚焦。所以高能激光的光强分布应该尽量均匀，以防止镜面破坏、热变形和不均匀热晕造成的光束漂移与发散。通过对激光器输出光束光强分布进行均匀化处理，能够显著提高高能激光系统的发射光束质量。另外，在激光加工、数据处理、信息光学存储、激光雷达、非线性光学、原子光学和材料科学等应用领域中，也都需要对入射激光光束的光强分布进行整形以提高作用效能。

鉴于以上应用需求，人们提出了许多光束整形技术。目前比较常用的激光光束整形技术有切趾光阑光束整形技术、双折射透镜组光束整形技术、衍射光学元件光束整形技术、液晶空间光调制器光束整形技术、微透镜阵列光束整形技术等等。其中切趾光阑光束整形技术和双折射透镜组光束整形技术，通过改变整形器的光强透过率来改变光束的光强分布，能量利用效率比较低；衍射光学元件光束整形技术和液晶空间光调制器光束整形技术不适用于高功率激光的光束整形；微透镜阵列光束整形技术仅仅适用于光束的远场焦斑形状整形。总体而言，目前常用的这几种激光光束整形方法在用于高功率激光光束整形时均存在各自的缺陷。

相对于上述光束整形系统，双非球面镜光束整形系统在光束传输路径上放置两块非球面镜，第一块非球面镜调整入射光束的相位分布在第二块非球面镜位置处形成所需要的光强分布，第二块非球面镜负责补偿光强整形后光束的相位分布，使得输出光束不仅仅具有所需要的光强分布，还具有近衍射极限的相位分布。然而，传统的双非球面镜光束整形系统存在很大的局限性。基于传统设计方法设计出来的面型分布，仅仅在当目标光束的口径远大于入射光束口径的情况下，才能得到较好的整形效果，在其它情况下存在很大的整形误差(目标光束光场与整形后输出光束光场之间存在很大的偏差)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种光纤激光准直整形装置及其设计方法。本发明融合光束准直、光强整形和光强整形后光束波前校正于一体，不仅可以改变光束的光强分布，还可以补偿光强整形后光束的波前相位分布，使得整形后输出光束同时具有所需要的光强分布和近衍射极限的相位分布。

本发明采用的技术方案为：

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，为了叙述简便，在以下的叙述中，定义光束传输的方向为由前向后传输，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：