[发明专利]一种光纤激光准直整形装置及其设计方法

摘要

本发明涉及一种光纤激光光束准直整形装置及其设计方法，可用于直接将光纤激光器输出光束的光强整形成所需要的分布，并且能够有效补偿光强整形所带来的光束相位变化。本发明采用双非球面镜结构，一号非球面镜负责对光纤激光进行准直和光强整形，进而在二号非球面镜位置处形成所需要的光强分布；二号非球面镜负责对准直后和光强整形后的光束进行相位补偿，使得整形后的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。本发明集光束准直、光强整形与相位校正于一体，具有整形效率高、使用方便等优点。

主权项

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ZS(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，ZS(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}-1/2dx0<r<h1]]>z(r)=z(h1)-∫h1r{(n2-1)+[(n-1)dh(x)-x]2}-1/2dxh1<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finput(r)和gtarget(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}-1/2dx0<R<H1]]>Z(R)=Z(H1)-∫H1R{(n2-1)+[(n-1)dh-1(x)-x]2}1/2dxH1<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。