一种锋芒激光调制器的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种锋芒激光调制器。


背景技术：

2.目前，激光光束被广泛地研究并应用于激光雷达、激光测距、激光打标、激光加工及激光武器等行业。其中，光束本身的衍射特性是影响激光传输的重要因素，尤其在空间光通信，光学成像及探测等领域，高质量、长距离及低损耗的激光束具有重大的应用价值和前景。
3.在传统的提高光束传输的品质的方式中，主要采用空间光调制器等构建无衍射光束或利用自适应光学主动补偿技术实现稳定光场，但其难以实现长距离传输，并且存在系统成本高昂且极为复杂的问题，无法满足激光传输的需求。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种锋芒激光调制器，用以解决现有技术中的光调制器产生的稳态光束难以实现长距离传输以及成本高昂且极为复杂的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种锋芒激光调制器，包括沿激光光路方向依次设置的激光器、光耦合系统和非球面透镜相位板；
6.所述光耦合系统，用于将激光器产生的高斯光束进行准直并耦合到所述非球面透镜相位板；
7.所述非球面透镜相位板，用于将耦合后的高斯光束进行调控以消除横向波矢，获得锋芒激光光束；所述非球面透镜相位板为类平凸透镜结构，所述类平凸透镜结构的凸面为非球面，包括从上至下依次排布的多个不同曲率半径对应的圆弧面；所述非球面透镜相位板为上下对称结构。
8.进一步地，所述非球面透镜相位板中的各圆弧面的弧长所对应的同心圆环的面积相等，在笛卡尔坐标系下，属于中心圆弧面的第一个圆弧所在圆的方程为且弧长为l1时，属于以中心圆弧面为第一个圆弧面开始的第n个圆弧面的第n个圆弧所在圆的方程满足下式：
[0009][0010]
其中，第n个圆弧与第n-1个圆弧的交点的横坐标为
[0011][0012]
式中，r1表示第一个圆弧所在中心圆弧面的曲率半径，λ为高斯光束的波长，d
j-1
表示第j个圆弧相对于第j-1个圆弧的下移量，r
j-1
表示第j-1个圆弧所在圆弧面的曲率半径。
[0013]
进一步地，所述非球面透镜相位板上设置的圆弧面个数由所述非球面透镜相位板的直径、中心圆弧面的曲率半径和属于中心圆弧面的第一个圆弧的弧长限制。
[0014]
进一步地，非球面透镜相位板面型的圆锥系数及各高次项系数还满足偶次非球面透镜的曲面方程，表示为：
[0015][0016]
其中，r2＝x2 y2,c＝1/r1；
[0017]
式中，z表示非球面透镜相位板的镜面的弯曲度，c表示曲率，r表示轴上的高度，k表示曲面的圆锥系数，b1、b2、b3、b4、b5和b6分别表示各高次项的非球面系数。
[0018]
进一步地，偶次非球面透镜的曲面方程拟合出的面型与各圆弧所在圆的方程得到的圆弧累加的面型的残差小于等于λ/20。
[0019]
进一步地，所述光耦合系统包括两个透镜或多个透镜，激光器产生的高斯光束光斑的直径经所述光耦合系统后扩束至与所述非球面透镜相位板的直径大小相同。
[0020]
进一步地，所述光耦合系统中入射为负透镜和出射为正透镜，两个透镜呈虚共焦结构。
[0021]
进一步地，所述锋芒激光调制器还包括调焦变换系统，所述调焦变换系统包括依次沿激光光路设置的固定组透镜、变倍组透镜、补偿组透镜，通过改变各透镜间距对锋芒激光焦斑大小进行调节。
[0022]
进一步地，所述调焦变换系统还包括变倍组透镜夹具、补偿组透镜夹具、伺服电机和移动控制器及轨道；
[0023]
所述变倍组透镜、补偿组透镜分别经变倍组透镜夹具、补偿组透镜夹具固定在所述轨道上，所述变倍组透镜夹具、补偿组透镜夹具与所述移动控制器连接；所述移动控制器通过所述伺服电机控制所述变倍组透镜夹具及所述补偿组透镜夹具沿轨道移动，进而控制所述变倍组透镜及所述补偿组透镜沿光路移动，以实现所述锋芒光束焦斑大小的调节。
[0024]
进一步地，所述非球面透镜相位板通过精密的玻璃成型、抛光和混合成型方法进行加工制造。
[0025]
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
[0026]
本发明提供的一种锋芒激光调制器，
[0027]
1、通过非球面透镜相位板对激光器产生的高斯光束调控获得多个同心圆环光束，在传输一定距离后能够消除其中的横向波矢量从而获得锋芒类光束，该锋芒类光束在传输过程中发散程度更小、瑞利长度更长，具有稳定的传输状态；
[0028]
2、通过非球面透镜相位板获得较长瑞利长度的锋芒光束，并通过调焦变换系统调整锋芒类光束的焦斑大小，利用的器件少，结构简单。
[0029]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0030]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0031]
图1为本发明实施例提供的锋芒激光调制器的结构示意图；
[0032]
图2为本发明实施例中提供的非球面透镜相位板的面型侧视图；
[0033]
图3为本发明实施例高斯光束经非球面透镜相位板调制后光束传输的示意图；
[0034]
附图标记：
[0035]
1-激光器；2-光耦合系统；3-非球面透镜相位板；4-固定组透镜；5-变倍组透镜；6-补偿透镜组；7-伺服电机；8-移动控制器；9-变倍组透镜夹具；10-补偿组透镜夹具；11-轨道。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0037]
本发明的一个具体实施例，公开了一种锋芒激光调制器，如图1所示，包括沿激光光路方向依次设置的光耦合系统2和非球面透镜相位板3。
[0038]
所述光耦合系统2用于将激光器1产生的高斯光束进行准直并耦合到所述非球面透镜相位板3。
[0039]
实施时，所述光耦合系统2包括两个透镜或多个透镜，高斯光束光斑的直径经光耦合系统2后扩束至与非球面透镜相位板3的直径大小相同。
[0040]
具体地，所述光耦合系统2采用入射为负透镜和出射为正透镜的方式，两个透镜成虚共焦结构。
[0041]
所述非球面透镜相位板3，用于将耦合后的高斯光束进行调控以消除横向波矢，获得锋芒激光光束；所述非球面透镜相位板为类平凸透镜结构，所述类平凸透镜结构的凸面为非球面，包括从上至下依次排布的多个不同曲率半径对应的圆弧面；所述非球面透镜相位板为上下对称结构。
[0042]
具体的，该锋芒类光束指的是瑞利长度较长的光束，即相比于高斯光束，经非球面透镜相位板3对高斯光束调制后获得的锋芒类光束的瑞利长度更长，能够达到未经处理的高斯光束的瑞利长度的1倍至7倍。
[0043]
具体实施时，所述非球面透镜相位板3中的各圆弧面的弧长所对应的同心圆环的面积相等，在笛卡尔坐标系下，属于中心圆弧面的第一个圆弧所在圆的方程为且弧长为l1时，属于以中心圆弧面为第一个圆弧面开始的第n个圆弧面的的第n个圆弧所在圆的方程满足下式：
[0044][0045]
其中，第n个圆弧与第n-1个圆弧的交点的横坐标为
[0046][0047]
式中，r1表示第一个圆弧所在中心圆弧面的曲率半径，λ为高斯光束的波长，d
j-1
表示第j个圆弧相对于第j-1个圆弧的下移量，r
j-1
表示第j-1个圆弧所在圆弧面的曲率半径。可以理解的是，各圆弧所在圆满足的方程是以中心圆弧面为起始依次得到，根据前一圆弧所在圆满足的方程，所在圆的半径和两圆弧的交点横坐标即可得到。可以理解的，每一圆弧对应一个圆弧面，圆弧的曲率即为圆弧面表面的曲率。
[0048]
具体地，非球面透镜相位板3上设置的圆弧面个数由所述非球面透镜相位板的直径、中心圆弧面的曲率半径和属于中心圆弧面的第一个圆弧的弧长限制。示例性地，非球面透镜相位板3的直径为32mm，中心圆弧面的曲率半径为r1＝400mm，所对应的第一个弧长为l1＝4mm，根据各圆弧满足的圆的公式可得，当圆弧个数超过16个时会超过相位板的口径，因此此时最大的圆弧面个数为16。
[0049]
具体地，所述非球面透镜相位板3的面型侧视图如图2所示，非球面透镜相位板为上下对称结构；且非球面透镜相位板为类平凸透镜结构，即相位板的一侧为平面，另一侧为凸面；具体的所述相位板的凸面包括n个圆弧面，上下圆弧面对称，图2中l1、l2、l3、
…
、ln分别表示非球面透镜相位板上不同同心圆环的侧视图的弧长，r1表示中心圆弧面的曲率半径，r2、r3、
…
、rn分别表示从中心圆弧面位置依次向下类推的圆弧面曲率半径，r1表示入射到弧长为l1的非球面透镜相位板区域的高斯光束的半个瑞利长度，r2、r3、
…
、r
n-1
依次类推，d表示同心圆弧对应的圆弧面相对于上一个同心圆弧对应圆弧面的下移量，令各弧长在非球面透镜相位板上所对应的同心圆环的面积相等，根据上述非球面透镜相位板3的上述的设计条件进行相应的计算，求出该非球面透镜相位板面型所满足的面型方程，具体如下：
[0050]
令非球面透镜相位板的中心圆弧面曲率半径为r1，第一个弧长为l1，由上述设计条件和图示可知，第二个圆弧面的曲率半径为：
[0051]
r2＝r
1-d1 r1，
[0052]
则可依次推出其他圆弧面的曲率半径为：
[0053][0054]
另外，第一个圆弧所在的圆的方程可以表示为：
[0055]
x2 (y r1)2＝(r1)2，
[0056]
则，其他圆弧所在圆的方程公式可如下表示：
[0057][0058]
其次，由各弧长在非球面透镜相位板3上所对应的同心圆环的面积相等可得弧长间关系为：
[0059]
l
12
＝(l1 l2)
2-l
12
，
[0060]
令l1＝a1，l1 l2＝a2，则可得，以此类推，得到其中，n表示第n个圆弧，此处的a可近似为每两个圆弧交点的横坐标。
[0061]
从瑞利长度分析，激光束经过非球面透镜元件产生的光斑半径可以表示为：
[0062][0063]
其中，λ为波长，f为焦距，d为透镜元件尺寸。
[0064]
瑞利长度的计算公式可以表示为：
[0065][0066]
则可得瑞利长度的一半的表达式为：
[0067][0068]
通过非球面透镜相位板3面型设计的条件求出各个参量之间的关系后，求解面型侧视图上各点在笛卡尔坐标系中的坐标。
[0069]
示例性地，根据已知的各参量的关系，使用matlab画出非球面透镜相位板3面型的侧视图，以由六个圆弧面构成的非球面透镜相位板面型侧视图作图过程为例，上下为对称结构，相位板上半部分三个圆弧面的面型侧视图主要分三步来完成，具体如下：
[0070]
第一步：已知中心圆弧面的曲率半径r1，第一个圆弧和第二个圆弧交点的横坐标x1＝a1(其中，a1已知，为l1)，将两个已知量代入第一个圆的方程求出第一个圆弧与第二个圆弧交点的纵坐标y1，第一个圆弧所在圆的方程表示为：
[0071]
x2 (y r1)2＝(r1)2[0072]
第二步：第一步方法求出的两圆弧交点的横纵坐标满足第二个圆的方程，利用瑞利长度表达式求出r1，将上述已知量代入第二个圆的方程求出第二个圆弧相对于第一个圆弧的下移量d1，也即求出了第二个圆弧所在圆的圆心坐标及半径，第二个圆弧所在圆的方程表示为：
[0073]
x2 [y (r1 r1)]2＝(r
1-d1 r1)2[0074]
根据已知的第二个圆弧与第三个圆弧的交点的横坐标x2＝a2，代入上式第二个圆弧所在圆的方程可求解出交点的纵坐标y2。
[0075]
第三步：第二步求解出的交点的横纵坐标满足第三个圆弧所在圆的方程，利用瑞利长度表达式求出r2，代入第三个圆的方程求出第三个圆弧相对于第二个圆弧的下移量d2，求出的数即为第三个圆方程的圆心坐标及半径，第三个圆弧所在圆的方程为：
[0076]
x2 [y (r1 r1 r2)]2＝(r
1-d
2-d1 r1 r2)2[0077]
按上述求解方法及步骤可依次求解出其他圆弧所在圆的方程，并可画出多个圆弧累加的图。
[0078]
需要说明的是，非球面透镜相位板3中高斯光束的横向波矢的消除机理如下：
[0079]
多环结构的非球面透镜相位板3将输入的高斯光束波阵面分成多个环状波阵面并
将每个环状波阵面聚焦在同轴前后不同的位置。非球面透镜相位板3中心区域的焦距是最小的，离非球面透镜相位板3中心越远的环状结构，焦距越长。其中的焦距按规则设置：对于两个相邻的环形结构，外侧的一个环将激光束聚焦在比内侧环聚焦位置长半个瑞利长度的位置，使得在瑞利长度处向外衍射的内光束与在外环焦距处聚焦的外光束相遇，因此它们通过相互混合和干涉，保持了它们的光束形状而不会失真，进而产生锋芒类光束。
[0080]
更具体地，对于第q个环形高斯光束，其波矢量振幅eq表示如下：
[0081][0082]
式中，i0表示初始光强，r和z分别表示具有径向和轴向的向量，rq表示第q个环形高斯光束的最大径向强度位置与光束中心之间的径向距离，wq为光束宽度，q＝1,2
…
，q，其中，q表示环形高斯光束的个数。
[0083]
相邻的两个环形光束em与en，em内环与en外环相接，叠加光场表示为:
[0084]
e(r,z)＝em(r,z) en(r,z)
[0085]
＝emexp(ikr·
r ikz·
z) enexp(ik
′r·
r ikz·
z)
[0086]
＝2cos(kr·
r)emexp(kr·
z) (e
n-em)exp(ik
′r·
r ikz·
z)
[0087]
emexp(-ikr·
r ikz·
z){exp[i(k
′r kr)
·
r]-1}
[0088]
式中，kr和kz分别表示径向波矢和轴向波矢，i表示虚数；
[0089]
当kr＝-k
′r和en＝em时，上式中径向波的相位项向量kr和k
′r被消除，也就是说，叠加的光束可以在传播过程中保持其形状，可得到合成光场为：
[0090]
e(r,z)＝2emcos(kr·
r)exp(ikz·
z)
[0091]
通过上式可知，相位因子没有径向分量，因此在锋芒光束传播过程中它的形状可以保持不变，称为稳态锋芒光场。
[0092]
示例性的，如图3所示，图3(a)为光束组合传输的仿真结果，图3(b)为两个环形光束的组合，其中两个环形光束的内径分别为0.7mm和2.0mm，环形宽度均为0.3mm，光束的波长均为532nm。可以看出，当内环光束加入向外扩散的初始相位，外环光束加入向内会聚的初始相位，两光束的传输过程符合预期；在z2和z3之间的区域(图3(a)中的竖线)，两束光束的波矢相反，幅度大致相同。图3(c)和图3(d)显示了竖线位置处的光斑横截面，两个位置的光斑形状基本没有变化。因此可知，光束在该区域内稳定传播。
[0093]
实施时，该非球面透镜相位板面型的圆锥系数及各高次项系数还满足偶次非球面透镜的曲面方程，表示为：
[0094][0095]
其中，r2＝x2 y2,c＝1/r1；
[0096]
式中，z表示非球面透镜相位板的镜面的弯曲度，c表示曲率，r表示轴上的高度，k表示曲面的圆锥系数，b1、b2、b3、b4、b5和b6分别表示各高次项的非球面系数。
[0097]
优选地，偶次非球面透镜的曲面方程拟合出的面型与圆弧所在圆的方程得到的圆弧累加的面型的残差小于等于λ/20。
[0098]
实施时，所述非球面透镜相位板3通过精密的玻璃成型、抛光和混合成型方法进行
加工制造。
[0099]
实施时，所述锋芒激光调制器还包括调焦变换系统，所述调焦变换系统用于调节锋芒激光的焦点位置和焦斑大小。
[0100]
具体地，所述调焦变换系统包括依次沿激光光路设置的固定组透镜4、变倍组透镜5、补偿组透镜6，通过改变各透镜间距对锋芒激光焦斑大小进行调节。
[0101]
更具体地，所述调焦变换系统还包括变倍组透镜夹具9、补偿组透镜夹具10、伺服电机7和移动控制器8及轨道11；
[0102]
所述变倍组透镜5、补偿组透镜6分别经变倍组透镜夹具9、补偿组透镜夹具10固定在所述轨道11上，所述变倍组透镜夹具9、补偿组透镜夹具10与所述移动控制器8连接；所述移动控制器8通过所述伺服电机7控制所述变倍组透镜夹具9及所述补偿组透镜夹具10沿轨道11移动，进而控制所述变倍组透镜5及所述补偿组透镜6沿光路移动，以实现所述锋芒光束焦斑大小的调节。
[0103]
可选地，所述调焦变换系统中可将变倍组透镜5替换为凸透镜，通过开普勒式实现锋芒激光焦斑大小的调节。
[0104]
与现有技术相比，本实施例提供的锋芒激光调制器通过非球面透镜相位板对激光器产生的高斯光束调控获得多个同心圆环光束，在传输一定距离后能够消除其中的横向波矢量从而获得锋芒类光束，该锋芒类光束在传输过程中发散程度更小、瑞利长度更长，具有稳定的传输状态；并且通过非球面透镜相位板获得较长瑞利长度的锋芒光束，并通过调焦变换系统调整锋芒类光束的焦斑大小，利用的器件少，结构简单。
[0105]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0106]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。