[发明专利]一种均匀光斑整形系统

说明书

本发明提供了一种均匀光斑整形系统，包括石英光纤、端帽和梯形扩束器；端帽的输入端面为平面，输出端面包括内凹透镜和环形平面，内凹透镜位于输出端面的中心，环形平面围绕内凹透镜四周；梯形扩束器由四块梯形石英板拼接组成管状结构，梯形石英板的上底形成梯形扩束器的输入端，梯形石英板的下底形成梯形扩束器的输出端；端帽的输入端面与石英光纤的一端熔接，环形平面与梯形扩束器的输入端连接。本发明适用于高功率激光的整形，且具有一定的连续工作距离，在最大工作距离及其之内都可以得到矩形的均匀光斑。

技术领域

本发明涉及激光整形领域，尤其涉及一种均匀光斑整形系统。

背景技术

激光研究及应用的一个重要研究方向就是激光整形。激光器发出的激光光斑一般为能量高斯分布的圆形光斑，能量中间高，两端低，均匀度很低，但不仅在传统的激光热加工如激光淬火、激光熔覆、激光合金化等应用中，而且在激光供能，光信息处理、储存、记录，激光医学等应用中都对激光能量均匀度有很大要求。实际应用中，尤其对高功率激光的光斑均匀化需求日益增加。圆形光斑则不仅在激光供能中与光电池尺寸不匹配造成光电转化效率低，并且同时在激光熔覆、激光合金化等应用中同样存在与工作面形状不匹配导致加工效率低的问题。

在激光供能等场合的应用中，需要将激光光斑转换为均匀分布且具有与光电池尺寸相匹配的大光斑，即需要将激光光斑进行扩束并转换为均匀分布的光斑。在聚光光伏系统中常用梯形聚光器以提高光斑均匀度和实现聚光，太阳光在聚光器中二次聚光，经多次反射后在聚光器出口处得到均匀度较高的方形光斑。但该系统只能在贴近梯形聚光器的出口处得到均匀的光斑，即使离梯形聚光器出口几毫米处的光斑均匀度也会下降很大，以至于工作面离开聚光器出口就得不到均匀的光斑；并且该系统会在梯形聚光器内形成聚光焦点，若激光功率过高则会导致空气击穿，系统稳定性低，故不适合做高功率激光的整形；再者，这种梯形聚光器具有聚光作用，聚光比大于1，即输出光斑尺寸小于输入光斑尺寸，若要得到大光斑，则聚光器光输入端必须设计的更大，且聚光器长度必须增加，系统变得庞大笨重。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种均匀光斑整形系统，适用于高功率激光的整形，在输出端面至一定距离范围内都可以得到矩形的均匀光斑。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种均匀光斑整形系统，包括石英光纤、端帽和梯形扩束器；

所述端帽的输入端面为平面，输出端面包括内凹透镜和环形平面，所述内凹透镜位于所述输出端面的中心，所述环形平面围绕所述内凹透镜四周；

所述梯形扩束器由四块梯形石英板拼接组成管状结构，所述梯形石英板的上底围成所述梯形扩束器的输入端，所述梯形石英板的下底围成所述梯形扩束器的输出端；

所述端帽的输入端面与石英光纤的一端熔接，所述环形平面与所述梯形扩束器的输入端连接。

优选的，所述端帽由纯石英组成，所述端帽的侧面形状为四棱台，所述四棱台的窄端面为所述端帽的输入端面，所述四棱台的宽端面为所述端帽的输出端面。

优选的，所述内凹透镜在端帽输出端面上的圆形区直径大于出射到所述端帽输出端面上的激光光斑的直径。

优选的，所述梯形扩束器由四块梯形石英板拼接组成，所述梯形扩束器的输入端和输出端的内口和外口均为正方形，所述梯形扩束器输入端的内口边长为D_i，所述内凹透镜在所述端帽的输出端面上的圆形区直径为D_e，D_i＞D_e。

优选的，所述梯形扩束器的内表面镀有高反射膜。

优选的，所述梯形扩束器的倾斜角α，需满足：

且有