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一种光纤激光准直整形装置及其设计方法
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申请号:201410304707.1 申请日:2014-06-30
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。
申请人: 中国人民解放军国防科学技术大学
地址: 410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
发明(设计)人: 马浩统 谢文科 施建华 许晓军 陈金宝 刘泽金 魏文俭
主分类号: G02B3/02(2006.01)I
分类号: G02B3/02(2006.01)I G02B27/09(2006.01)I G02B27/30(2006.01)I
  • 法律状态
2017-02-08  授权
2016-02-24  实质审查的生效IPC(主分类):G02B 3/02申请日:20140630
2016-01-27  公开
注:本法律状态信息仅供参考,即时准确的法律状态信息须到国家知识产权局办理专利登记簿副本。
  • 其他信息
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:<mrow><msub><mi>Z</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>r</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msqrt><msubsup><mrow><mn>4</mn><mi>d</mi></mrow><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>-</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>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:<mrow><mi>z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>r</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>0</mn><mi>r</mi></msubsup><msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>dx</mi><mo>,</mo><mn>0</mn><mo>&lt;</mo><mi>r</mi><mo>&lt;</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>r</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>z</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mi>r</mi></msubsup><msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>dx</mi><mo>,</mo><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>&lt;</mo><mi>r</mi><mo>&lt;</mo><mi>D</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>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:<mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><mn>0</mn><mi>R</mi></msubsup><msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><msup><mi>h</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>dx</mi><mo>,</mo><mn>0</mn><mo>&lt;</mo><mi>R</mi><mo>&lt;</mo><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><mi>R</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Z</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msubsup><mo>&Integral;</mo><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mi>R</mi></msubsup><msup><mrow><mo>{</mo><mrow><mo>(</mo><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><msup><mi>h</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mi>dx</mi><mo>,</mo><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mo>&lt;</mo><mi>R</mi><mo>&lt;</mo><mi>D</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow>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。
公开号  105278011A
公开日  2016-01-27
专利代理机构  国防科技大学专利服务中心 43202
代理人  李振
颁证日  
优先权  
国际申请  
国际公布  
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