專利名稱：實現(xiàn)高斯光束整形半徑隨機鋸齒光闌平均半徑的確定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用半徑隨機變化的鋸齒光闌，并結合空間濾波器，對高斯光束實現(xiàn)整形和勻化，確定半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的最優(yōu)比，來得到填充因子、調制強度和光強對比度都優(yōu)于調幅型波紋鋸齒光闌的光強分布，并在一定的程度上抑制了軸上光強的衍射調制，屬于高功率激光器制造領域。
背景技術：
在實際應用的激光器的光束光強分布中，很多情況下都是高斯或近高斯分布，很少有理想的平面波。而高斯分布的光強隨著半徑的增大會逐漸減弱，在后續(xù)放大中小于一定數(shù)值的能量不能有效放大，即降低了填充因子，不能充分利用后續(xù)放大工作物質的儲能。 一般加入光闌來截掉光強小于一定數(shù)值的光，但由于圓孔邊緣的索末菲爾德波包在軸上各點都具有相同的位相，它們會同時干涉相長或相消，致使軸上光強存在強烈的衍射調制，即使不考慮小尺度自聚焦效應對其的增強作用，它本身就會帶來高功率激光器的損傷問題。 因此高功率激光器的設計中，涉及到這樣一個基本問題在抑制光束菲涅耳衍射調制及由此而產(chǎn)生的小尺度自聚焦的前提下，如何保證增益介質儲能的充分利用，即高的填充因子。 為此，可以通過圓孔光闌邊緣的波紋調制來錯亂索末菲爾德波包的位相，從而減弱由此而產(chǎn)生的衍射調制，這就是波紋鋸齒光闌。它較為適用于高功率激光系統(tǒng)，其特點是抗損傷閾值高，因其是孔狀，它的插入或取出，不影響光路的調整，便于工程實用。目前，對高斯光束的整形和勻化可以經(jīng)過調幅型波紋鋸齒光闌實現(xiàn)的。本發(fā)明內容是在調幅型波紋鋸齒光闌的基礎上利用一種半徑隨角度的變化而隨機變化的光闌，確定光闌平均半徑與束寬比的最優(yōu)值，實現(xiàn)對高斯光束的整形和勻化，以得到填充因子、調制強度和光強對比度都比調幅型波紋鋸齒光闌好的光強分布，同時能量的損失和調幅型波紋鋸齒光闌基本一樣，從而得到更理想的光束用于后續(xù)放大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服高斯光束填充因子低，通過確定半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的最優(yōu)比，使整形后光束的填充因子、調制強度和光強對比度特征參數(shù)都要優(yōu)于調幅型波紋鋸齒光闌，能量損失和調幅型波紋鋸齒光闌近似的，實現(xiàn)對高斯光束整形和勻化的裝置及方法。實現(xiàn)高斯光束整形半徑隨機鋸齒光闌平均半徑的確定方法，其特征在于首先確定光闌半徑r，即r = aX (l+al*rand(0))，其中a為平均半徑，取0. 001 0. 003m, al為調制深度，為0. 05，然后制作出不同平均半徑的光闌進行實驗并計算特征參數(shù)填充因子、調制強度、光強對比度，最后從特征參數(shù)中確定最優(yōu)的平均半徑，得到a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60%。具體的利用matlab軟件，生成半徑隨角度的變化關系為r = a*(l+al*rand( θ)) 的半徑隨機鋸齒光闌參數(shù)，其中a為平均半徑，實驗中取到了 0. 001到0. 003米的范圍，al為調制深度，設定為0. 05, rand ( θ )為隨角度變化而隨機變化的函數(shù)，其值在-1到1之間。 將參數(shù)導入CAD里，用激光切割的方法，切割出對應的光闌。由于此時光闌能截取較強的一部分光，提高了填充因子。又由于邊緣的不規(guī)則性，能錯亂索末菲爾德波包在軸上相位，減弱在軸上和徑向調制強度，實現(xiàn)了對高斯光束的整形和勻化。通過比較相同的高斯光束，經(jīng)過不同平均半徑的半徑隨機鋸齒光闌后光強的分布的特征參數(shù)(填充因子、調制強度、光強對比度)，確定了半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的最優(yōu)比例，即半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑為高斯光束束寬的0. 6的時候，填充因子最大，為0. 5284，調制強度和光強對比度最低，分別為0. 3757和0. 2872，同時能量損失為25%在可以接受的范圍。相對于調幅型波紋鋸齒光闌的填充因子0. 4647，調制強度0. 4670，光強對比度0. 3092，都要優(yōu)于調幅型波紋鋸齒光闌。本發(fā)明確定了對高斯光束實現(xiàn)整形的半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與束寬的比， 實現(xiàn)了高斯光束的整形和勻化，得到特征參數(shù)優(yōu)于調幅型波紋鋸齒光闌的光束，本方法和裝置的優(yōu)點增大了光束的填充率；降低了調制強度；降低了光強對比度；將高斯光束整形成了近平頂光束分布；保留了合理的能量；操作更為簡單，易于實現(xiàn)工程應用。本發(fā)明具有實質性的特點，本發(fā)明所述的方法可以廣泛應用于高斯光束整形和勻化中，能夠明顯提高激光器后續(xù)放大增益介質儲能的利用率、穩(wěn)定性和輸出功率。


圖1是入射光強的分布示意圖；圖2是平均半徑與束腰比例為0. 65的調幅型波紋鋸齒光闌；圖3是平均半徑與束腰比例為0. 6的角度間隔為0. 01的半徑隨機的鋸齒光闌；圖4是高斯光束通過平均半徑與束腰比例為0. 65調幅型波紋鋸齒光闌后的徑向光強分布；圖5是高斯光束通過平均半徑與束腰比例為0. 6的角度間隔為0. 01的半徑隨機的鋸齒光闌后的徑向光強分布；圖6(a)是通過相同平均半徑調幅型波紋鋸齒光闌和半徑隨機鋸齒光闌后光強分布的填充因子的比較；圖6(b)是通過相同平均半徑調幅型波紋鋸齒光闌和半徑隨機鋸齒光闌后光強分布的調制強度的比較；圖6(c)是通過相同平均半徑調幅型波紋鋸齒光闌和半徑隨機鋸齒光闌后光強分布的光強對比度的比較；圖6(d)是通過相同平均半徑調幅型波紋鋸齒光闌和半徑隨機鋸齒光闌后光強分布的能量的比較。
具體實施例方式本發(fā)明是在不銹鋼薄板上用激光切割的方法，切割出如圖3所示形狀的光闌，將它加入到高斯光束的激光光路中，測輸出光軸上和徑向上的光強分布。然后用不同的平均半徑的半徑隨機鋸齒光闌重復上述操作，分別比較它們的特征參數(shù)，從中找出最優(yōu)的平均半徑，也就確定了在高斯光束整形和均勻過程中所要用的半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與高斯光束束寬的比。工作原理如下光強分布成高斯分布的激光光束有著較低的填充因子， 可以通過光闌截取一定范圍的能量來提高填充因子，但用圓光闌時，由于菲涅爾衍射，臨近邊緣處的面積在軸上的點具有相同的位相，因此產(chǎn)生相長干涉，因此在軸上會有光強很強的點，這樣很容易損壞后續(xù)放大的激光工作物質，調幅型波紋鋸齒光闌就是要打亂這種一致性，減少軸上的光強調制，同時也能減少徑向的調制。雖然調幅型波紋鋸齒光闌已經(jīng)有很好的整形和勻化效果，但它還是有一定的周期性，而半徑隨機的鋸齒光闌相對于調幅型波紋鋸齒光闌更能打亂這種一致性。通過對不同平均半徑的半徑隨機鋸齒光闌的模擬和實驗，比較不同平均半徑的半徑隨機鋸齒光闌，高斯光束通過之后的光強分布的特征參數(shù)，見下表1可以知道在平均半徑為0. 0012時填充因子為0. 4604最大，調制強度和光強對比度最低，分別為0. 4738和 0. 3065。所以可以確定半徑隨機鋸齒光闌的平均半徑與束寬的比在百分之六十左右最為合適，而此時的能量大概剩余75%左右，也是在實際應用中可以接受的。在徑向上的光強分布中我們可以從圖5和圖4的比較可以看出半徑隨機的光闌要比調幅型波紋鋸齒光闌有更均勻的光強分布。在圖6中我們在相同的平均半徑下，即橫坐標相同，對半徑隨機的鋸齒光闌要和調幅型波紋鋸齒光闌填充因子、調制強度、光強對比度和能量做了比較，(a)中實線星號 (SFF)代表隨機光闌的填充因子，虛線方框(BFF)代表調幅型波紋鋸齒光闌的填充因子， (b)中實線星號(SFR)代表隨機光闌的調制強度，虛線方框(BFR)代表調幅型波紋鋸齒光闌的調制強度，(c)中實線星號(SCC)代表隨機光闌的光強對比度，虛線方框(BCC)代表調幅型波紋鋸齒光闌的光強對比度，(d)中實線星號(SEN)代表隨機光闌的能量比，虛線方框(BEN)代表調幅型波紋鋸齒光闌的能量，從圖6中可以看出在平均半徑0.0012處，即與高斯束寬的比為0.6處，半徑隨機鋸齒光闌要比調幅型波紋鋸齒光闌填充因子高，半徑隨機光闌的填充因子為0. 5284，而調幅型波紋鋸齒光闌的填充因子為0. 4604 ；半徑隨機鋸齒光闌要比調幅型波紋鋸齒光闌調制強度低，半徑隨機光闌的調制強度為0. 3757，而調幅型波紋鋸齒光闌的調制強度為0. 4738 ；半徑隨機鋸齒光闌要比調幅型波紋鋸齒光闌光強對比度低，半徑隨機光闌的光強對比度為0.觀72，而調幅型波紋鋸齒光闌的光強對比度為 0. 3065 ；半徑隨機鋸齒光闌要比調幅型波紋鋸齒光闌能量相差不多，半徑隨機光闌的能量為0. 7521，而調幅型波紋鋸齒光闌的能量為0. 7670 ；綜上可以看出在合適的比例下半徑隨機的鋸齒光闌在高斯光束整形和勻化上要比調幅型鋸齒光闌的效果好。表1是高斯光束經(jīng)過不同平均半徑的半徑隨機鋸齒光闌后光強分布的特征參數(shù)
權利要求
1.實現(xiàn)高斯光束整形半徑隨機鋸齒光闌平均半徑的確定方法，其特征在于首先確定光闌半徑r，即r = a X (l+al*rand ( θ ))，其中a為平均半徑，取0. 001 0. 003m, al為調制深度，為0. 05，rand( θ )為隨角度的變化而隨機變化的-1到1之間的數(shù)；然后制作出不同平均半徑的光闌進行實驗并計算特征參數(shù)填充因子、調制強度、光強對比度，最后從特征參數(shù)中確定最優(yōu)的平均半徑，得到a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60%。
全文摘要
實現(xiàn)高斯光束整形半徑隨機鋸齒光闌平均半徑的確定方法屬于激光領域。首先確定光闌半徑r，即r＝a×(1+a1*rand(θ))，其中a為平均半徑，取0.001～0.003m，a1為調制深度，為0.05，然后制作出不同平均半徑的光闌進行實驗并計算特征參數(shù)填充因子、調制強度、光強對比度，最后從特征參數(shù)中確定最優(yōu)的平均半徑，得到a的大小范圍為入射高斯光束束寬的60％。本方法通過使用半徑隨角度隨機變化的鋸齒光闌，并配合空間濾波器，相比于傳統(tǒng)的調幅波紋鋸齒光闌，提高了徑向的光強填充因子和減弱調制強度。本發(fā)明可廣泛用于激光器的光束整形和光強均勻化中，能夠保證其具有較高的填充因子明顯提高激光器儲能物質的利用率、穩(wěn)定性和輸出功率。
文檔編號G02B27/09GK102540473SQ20121000135
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權日2012年1月4日
發(fā)明者孫哲, 惠勇凌, 朱占達, 李強, 王金國, 雷訇 申請人:北京工業(yè)大學