一种均匀光斑整形系统的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种均匀光斑整形系统，包括石英光纤、端帽和梯形扩束器；
7.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；
8.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；
9.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。
10.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。
11.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。
12.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di，所述内凹透镜在所述端帽的输出端面上的圆形区直径为de，di＞de。
13.优选的，所述梯形扩束器的内表面镀有高反射膜。
14.优选的，所述梯形扩束器的倾斜角α，需满足：
[0015][0016]
且有
[0017]
其中，θ为激光经端帽传播后的发散角；i为激光光线在梯形扩束器内的反射次数，为大于1的自然数；梯形扩束器的输入端内口边长为di，输出端内口边长为do，do与di的比值为梯度t，需满足：
[0018][0019]
本发明的有益效果：
[0020]
1)本发明的端帽，激光从光纤进入端帽，由于没有光纤包层的束缚，能做自由空间的传输，有效的增大输出端面光场面积，从而降低了光功率密度，因此能够有效的解决大功率激光造成光纤端面损伤问题；其次本发明用凹透镜来代替常规聚光光伏系统中使用的凸透镜，使得本发明系统不会产生激光聚焦焦点，可避免大功率激光造成的空气击穿，故本发明适用于高功率激光的整形。
[0021]
2)本发明的端帽将凹透镜和光纤端帽整合在一起，易于制作，并将端帽与梯形扩束器直接连接在一起，整个系统不再是分离的结构，即本发明系统是一体化的，结构紧凑，占用空间小。
[0022]
3)本发明系统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，可根据实际需求的工作距离和光斑大小，调整系统参数，设置工作面距梯形扩束器输出端面的距离，得到满足要求的输出光斑。
附图说明
[0023]
图1为本发明的一种均匀光斑整形系统的结构示意图。
[0024]
图2为本发明的端帽四棱台结构的切面图。
[0025]
图3为本发明激光在端帽中传播原理示意图。
[0026]
图4为本发明具体实施例1中的光斑三维图和照度图，其中(a)为激光经端帽后的光斑图；(b)、(c)分别为距离梯形扩束器输出端为0cm，6cm时的光斑图。
[0027]
图5为本发明具体实施例2中的光斑三维图和照度图，其中(a)为激光经端帽后的光斑图；(b)、(c)分别为距离梯形扩束器输出端为0cm，5cm时的光斑图。
[0028]
图6为本发明具体实施例3中的距离梯形扩束器输出端为0cm时的光斑三维图和照
[0041]
其中：
[0042][0043]
折射定律：sinθ2＝n2sinθ1[0044]
na为光纤数值孔径，n2为石英光纤1纤芯及光纤端帽折射率，r
core
为石英光纤1纤芯半径，r为凹透镜曲率半径，θ1为端帽2中传输的激光的边缘光线入射至凹透镜4的入射角，θ2为折射角，θ0为边缘光线入射至凹透镜4时绘图分析所作的法线与水平线夹角，d为激光传输到凹透镜4时的光斑半径，d0为端帽输入端到凹透镜4的长度。
[0045]
作为优选，梯形扩束器3的倾斜角α需满足：
[0046][0047]
且有
[0048]
其中，θ为激光经端帽2传播后的发散角；i为激光光线在梯形扩束器3内的反射次数，为大于1的自然数，其数值由梯形扩束器3设计时人为确定，一般地，i＝2，3时，系统就具有较高均匀度的光斑，i设定得越大，光斑均匀度越高，但梯形扩束器3的长度也相应增加，因此，其值需要选择适当值。
[0049]
梯形扩束器3的输入端内口边长为di，输出端内口边长为do，do与di的比值为梯度t，需满足：
[0050][0051]
其中不等式大于等于号右边部分为入射梯形扩束器3的激光边缘光线反射第i次时对应的底面口径(即第i次反射时，梯形扩束器3内壁反射点处的横截面口径)与梯形扩束器输入端内口径的比值，梯度t和该比值相同时，则刚好满足边缘光线i次反射条件，梯度t大于该比值时，在满足边缘光线i次反射条件下，会有更多的边缘光线以内的小角度光线参与反射，此时输出光斑更加均匀。
[0052]
本发明的一种均匀光斑整形系统，入射激光经内凹透镜4发散后，光线追迹时，可看作发散角之内的区域分割成无数条光线，边缘光线及其以内的小角度光线在梯形扩束器3内不断的反射，重新调整了光场分布，光斑均匀度不断提高，同时各光线角度也不断的变化，最后总体光线分布可近似为激光以略大于梯形扩束器3的倾斜角α的发散角半角从梯形扩束器3的输出端口出射，故在距系统输出端口一定距离内，光线都保持这种角度特性，因此，本发明系统具有连续的工作距离，在最大工作距离以内，光线是以充满整个梯形扩束器3矩形形状的输出端口的形式出射，故系统输出光斑为矩形，即可以获得均匀的矩形光斑。若将梯形扩束器3输出端口改成其他形状，同样可以得到相应形状的均匀光斑。反射次数i
越大，则得到的矩形均匀光斑越均匀。梯形扩束器3长度h越大，均匀度越高。
[0053]
当对梯形扩束器3设计时，设定反射次数i之后，梯度t和倾斜角α随之确定，然后由实际应用光斑大小需求设定输出端内口边长do，输入端内口边长di及长度h随之确定。
[0054]
优选实施例1：选用20/400μm单模石英光纤1，na＝0.06，端帽2长度为20mm，输入端边长为2mm，输出端边长为10mm；凹透镜4曲率为0.6，直径3.2mm；梯形扩束器3长度为235mm，厚度为2mm，输入端内口边长为6mm，输出端内口边长为40mm。如附图4所示，图4(a)为激光经凹透镜4折射后的光斑的三维图及照度图，显而易见能量分布为高斯分布，图4(b)、(c)是光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离分别为0cm、6cm方形均匀光斑的三维图及照度图，光斑大小分别为4cm
×
4cm、5.2cm
×
5.2cm，光斑均匀度分别为90％、84.1％，随着工作距离的增加，光斑的均匀度下降，当光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离为15cm时，光斑均匀度为78.3％，光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离可在0-15cm之间选择。
[0055]
优选实施例2：选用100/360μm多模石英光纤1，na＝0.22，端帽2长度为14mm，输入端边长为2mm，输出端边长为14mm；凹透镜4曲率为0.2，直径8mm；梯形扩束器3长度为400mm，厚度为2mm，输入端内口边长为10mm，输出端内口边长为100mm。如附图5所示，图5(a)为激光经凹透镜4折射后的光斑的三维图及照度图，能量分布为高斯分布，图5(b)、(c)是光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离分别为0cm、5cm方形均匀光斑的三维图及照度图，光斑大小分别为10.4cm
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10.4cm、12cm
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12cm，光斑均匀度分别为87.2％、84.3％，随着光斑接收端面与梯形扩束器3输出端距离的增加，光斑的均匀度下降，当光斑接收端面与梯形扩束3输出端的距离为14cm时，光斑均匀度为79.4％，光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离可在0-14cm之间选择。
[0056]
优选实施例3：选用100/360μm多模石英光纤1，na＝0.22，端帽2长度为14mm，输入端边长为2mm，输出端边长为14mm；凹透镜4曲率为0.2，直径8mm；梯形扩束器3长度为2.1m，厚度为2mm，输入端内口边长为10mm，输出端内口边长为1m。实施例3与实施例2所用端帽2结构大小及石英光纤1完全相同，故本实施例3激光经凹透镜4折射后的光斑的三维图及照度图如图5(a)所示。如附图6所示，光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离为0cm时方形均匀光斑的三维图及照度图，得到了1m
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1m的大尺寸方形均匀光斑，均匀度为81.3％，随着光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离的增加，光斑的均匀度会下降，当光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离为20cm时，光斑均匀度为80.4％，此时光斑大小为1.12m
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1.12m，光斑接收端面与梯形扩束器3输出端的距离可在0-20cm之间选择。
[0057]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0058]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。