本發(fā)明屬于激光光束整形技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種透射式激光光束整形系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光的優(yōu)點在于良好的方向性、單色性和相干性。在很多激光應(yīng)用場合，例如激光切割、焊接、打孔以及激光醫(yī)療等微精密加工中，都希望激光器能工作在發(fā)散角最小、光束質(zhì)量最好的基模狀態(tài)。對于很多大增益介質(zhì)的激光器而言，如果不采取選模措施，激光器往往工作在高階橫模狀態(tài)，截面上的光束能量分布不均勻，直接輸出達不到預(yù)期效果，需要對激光輸出光束的橫模進行選擇，抑制高階模，使輸出激光的基模占比增加，得到截面能量分布更加均勻的激光光束。

傳統(tǒng)選模方法，如小孔光闌選模，諧振腔參數(shù)選模、非穩(wěn)腔選模、微傾腔鏡選模等可以使激光輸出的光束質(zhì)量提高；小孔光闌選?？梢栽诩す馄魍膺M行模式選擇，但使用小孔光闌在很大程度上限制了模體積，增加了模損耗；而其他的方法均需要對激光器本身進行更改。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種透射式激光光束整形系統(tǒng)，其目的在于在通過外部激光光束整形系統(tǒng)將激光器輸出的高階模轉(zhuǎn)換為基模，在盡可能保證激光光束能量的前提下，獲得更多的基模輸出激光。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種透射式激光光束整形系統(tǒng)，包括透射式相位調(diào)制鏡、空間濾波鏡和透射式準(zhǔn)直鏡；

其中，透射式相位調(diào)制鏡的激光入射面為高度不同的凹凸間隔同心圓環(huán)面，相鄰的凸面與凹面分別對應(yīng)入射激光束相鄰的峰；透射式相位調(diào)制鏡的出射激光聚焦形成聚焦光斑，聚焦光斑包括主峰和旁瓣；

空間濾波鏡設(shè)于透射式相位調(diào)制鏡出射激光聚焦光斑處，空間濾波鏡中心部位有可透光的光孔；主峰從光孔穿過，旁瓣則被空間濾波鏡反射吸收；

透射式準(zhǔn)直鏡為凸透鏡，其前焦面位于空間濾波鏡中心處；透射式準(zhǔn)直鏡用于對空間濾波鏡的出射激光進行準(zhǔn)直。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其透射式相位調(diào)制鏡的激光入射面的凸面與凹面的高度差Δ滿足：

其中，n為透射式相位調(diào)制鏡材料對入射激光的折射率，λ是入射激光的波長，k為正整數(shù)。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其透射式相位調(diào)制鏡的出射面為凸面，將出射激光聚焦形成聚焦光斑。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其透射式相位調(diào)制鏡的出射面為平面；且該透射式激光光束整形系統(tǒng)還包括單透鏡，該單透鏡設(shè)于透射式相位調(diào)制鏡的出射面與空間濾波鏡之間，空間濾波鏡設(shè)于單透鏡的焦點處。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其空間濾波鏡的中心光孔大小可調(diào)；通過調(diào)整該光孔的大小來調(diào)整輸出激光的能量大小。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其空間濾波鏡的光孔周圍設(shè)有一個不透明的圓錐面，圓錐面鍍有增反膜；

透射式相位調(diào)制鏡的出射光中的主峰從光孔穿過，旁瓣則被不透明圓錐面反射，被反射的光線照射到另一角度的不透明圓錐面上被吸收。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其空間濾波鏡內(nèi)部設(shè)有環(huán)形水冷通道，通過水冷降低吸收光線的不透明圓錐面的溫度。

優(yōu)選地，上述透射式激光光束整形系統(tǒng)，其透射式相位調(diào)制鏡與透射式準(zhǔn)直鏡的各表面均鍍有增透膜。

在激光器輸出高功率高階激光的基礎(chǔ)上，通過本發(fā)明提供的上述透射式激光光束整形系統(tǒng)將高階模轉(zhuǎn)換為近似基模輸出；該激光光束整形系統(tǒng)可以在盡可能保證激光光束能量的前提下，獲得更多的近似基模輸出激光；并且該系統(tǒng)應(yīng)用于激光器外，可針對具體的輸出激光模式，調(diào)整其各項參數(shù)，獲得更好的輸出光束模式。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用入射面為高度不同的凹凸間隔同心圓環(huán)面的透射式相位調(diào)制鏡，將入射激光束分成主峰與旁瓣，通過空間濾波鏡濾除旁瓣，僅保留主峰，并采用透射式準(zhǔn)直鏡縮小主峰的發(fā)散角，不僅實現(xiàn)整形還實現(xiàn)了準(zhǔn)直，大大簡化了整個光路的結(jié)構(gòu)，得到更理想的輸出光束；得到的輸出光束為近似基模高斯光束，橫截面光斑沒有其他模式干擾，輸出光束質(zhì)量好，輸出功率高，光斑能量分布連續(xù)；

(2)本發(fā)明提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)，由于保留集中了激光能量的90％的主峰，盡可能的保存了激光的輸出光能量，減少了光束整形過程中的能量損耗，可獲得能量相對高的輸出激光；

(3)本發(fā)明提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)，其空間濾波鏡設(shè)計巧妙，增加了反射，擴大了激光吸收面積；并且增加了水冷通道，有效解決了高功率激光帶來的發(fā)熱問題，不但能有效濾除旁瓣光，而且可以吸收旁瓣光束能量，消除了反射激光的危害；

(4)本發(fā)明提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)，可在激光器外部對激光光束進行調(diào)節(jié)整形，不破壞激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適用不同輸出功率的激光器的光束整形，可以針對具體激光器的輸出激光模式對鏡面參數(shù)進行調(diào)整，從而得到符合需求的激光光束，適用范圍廣泛；并且由于結(jié)構(gòu)簡單，具有安裝方便簡單的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中的透射式相位調(diào)制鏡的俯視、側(cè)視圖；

圖3是本發(fā)明實施例中的空間濾波鏡剖面結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明實施例中的入射激光模式分布圖；

圖5是本發(fā)明實施例中的入射激光振幅相位分布示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中的整形后的激光振幅相位示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例中通過空間濾波鏡前的激光振幅分布示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例中輸出激光振幅分布示意圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-透射式相位調(diào)制鏡、2-空間濾波鏡、3-透射式準(zhǔn)直鏡、4-激光入射面、5-激光出射面、6-通光孔、7-第一圓錐面、8-第二圓錐面、9-孔道。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實施例提供的透射式激光光束整形系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示意的，包括透射式相位調(diào)制鏡1、空間濾波鏡2和透射式準(zhǔn)直鏡3；

透射式相位調(diào)制鏡1為透鏡，其激光入射面4用于對入射的多模激光進行整形；激光入射面4是由1個圓面和4個半徑不同的同心環(huán)形面的組合，相鄰環(huán)形面的位置不同，呈現(xiàn)出凹凸間隔的表面特征；激光入射面4上，相鄰的凸面與凹面對應(yīng)激光束相鄰的峰，透射式相位調(diào)制鏡1的俯視圖如圖2(a)所示，側(cè)視圖如圖2(b)所示；

圖2(b)中，Δ為凸面和凹面的高度差，滿足：

其中，n為透射式相位調(diào)制鏡材料對入射激光的折射率，λ是入射激光的波長，k為正整數(shù)。

透射式相位調(diào)制鏡1的激光出射面5為凸面，對入射激光產(chǎn)生匯聚，在透射式相位調(diào)制鏡1的焦點處形成聚焦光斑，形成的聚焦光斑的能量分布呈一個主峰和旁瓣光束。

空間濾波鏡2設(shè)置在與透射式相位調(diào)制鏡1對應(yīng)的焦面處，空間濾波鏡2的剖面如圖3所示，透射式相位調(diào)制鏡1的出射光中心的主峰從空間濾波鏡2中間的通光孔6通過，旁瓣光束照射到第一圓錐面7上，第一圓錐面7鍍有增反膜，光束在第一圓錐面7上發(fā)生反射，照射到第二圓錐面8上，旁瓣光束在第二圓錐面8上被吸收；孔道9是水冷通道，通過往孔道9注入流動的水來降低空間濾波鏡2的溫度。

透射式準(zhǔn)直鏡3的焦點也在空間濾波鏡2的位置處，透射式相位調(diào)制鏡1的出射光經(jīng)空間濾波鏡2整形和匯聚后，通過透射式準(zhǔn)直鏡3進行準(zhǔn)直，得到輸出光束；圖1中通過空間濾波鏡2的水平方向虛線示意主光軸位置，其他虛線示意光束輪廓。

入射激光可能有多種不同模式分布；以下以入射激光的一種模式分布情況為例，對實施例提供的這種透射式激光光束整形系統(tǒng)進行具體闡述；對其他模式的入射激光的整形可以在示例基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

該例中，入射激光模式分布如圖4所示，其中圖4(a)為入射激光橫截面上振幅分布與位置關(guān)系立體圖，圖4(b)為入射激光振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅；圖5是入射激光的截面沿直徑方向振幅相位分布圖，上方曲線代表沿截面直徑方向的振幅分布，與圖4(b)相同，下方數(shù)值表示沿截面直徑方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位不同；透射式相位調(diào)制鏡1的凹凸間隔的激光入射面4讓不同相位的光通過不同厚度的介質(zhì)，達到調(diào)整相位的目的，從透射式相位調(diào)制鏡1的出射面5出射的激光光束的相位統(tǒng)一，如圖6所示為出射激光的截面沿直徑方向振幅相位分布圖，上方曲線代表沿截面直徑方向的振幅分布，與圖4(b)相同，下方數(shù)值表示沿截面直徑方向的相位值，不同位置的振幅不同，相位相同；與圖5相比較而言，振幅差異不變，相位達到成一致。

透射式相位調(diào)制鏡1的出射光經(jīng)傳輸?shù)竭_空間濾波鏡2時，激光的振幅分布如圖7所示，圖7(a)是激光橫截面上振幅分布立體圖，圖7(b)是激光振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅，可以看出此時激光為中間主峰、旁邊旁瓣的形式；該激光光束通過空間濾波鏡2時，旁瓣的光束被阻擋，中間主峰光束順利通過空間濾波鏡2的通光孔6；通過空間濾波鏡2之后的激光如圖8所示意的，激光模式去掉了旁瓣，只保留了中間的主峰光束；圖8(a)是輸出激光橫截面上振幅分布立體圖，圖8(b)是輸出激光振幅隨橫截面直徑上位置變化的二維圖，橫軸是距離光軸中心的距離，縱軸是歸一化振幅。

根據(jù)入射激光的模式來調(diào)整透射式相位調(diào)制鏡1的入射面4；具體地，調(diào)整激光入射面4的不同凹凸環(huán)的半徑與對應(yīng)凹凸環(huán)的個數(shù)的變化，入射激光模式的徑向節(jié)線圓數(shù)目與凹凸環(huán)的個數(shù)相等，同一個節(jié)線圓上的激光入射在同一個激光入射面4的圓環(huán)上，使得從出射面5輸出的光束的相位一致。

輸入激光通過實施例提供的這種透射式激光光束整形系統(tǒng)后，輸出激光的模式單一，截面光斑能量分布連續(xù)，并且輸出激光的發(fā)散角更小，輸出光束的方向性更好。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。