用于高功率激光系统的大倍率扩束器技术方案

一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器，由同光轴的依次的第一凸透镜、滤波小孔、凹透镜和第二凸透镜构成，所述的滤波小孔位于第一凸透镜的后焦点，上述元件的位置满足下列关系其中：Ｌ↓［１］是滤波小孔与凹透镜的间距，Ｌ↓［２］是凹透镜与第二凸透镜的间距，ｆ↓［０］、ｆ↓［１］和ｆ↓［２］分别是第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜的焦距，β为扩束器的扩束比。本发明专利技术具有结构简单、成本低和调节范围大的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光器件，特别是一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器。
技术介绍
在现代光学中，特别是激光应用领域，扩束器是一种常用的光束变换器。通常 有两种结构的扩束结构倒开普勒结构与倒伽利略结构。倒开普勒结构如图l所示， 扩束器是一个小焦距凸透镜与一个大焦距凸透镜同轴串联构成，且小焦距凸透镜的 物方焦点与大焦距凸透镜的像方焦点重合，则扩束比等于两个透镜焦距之比。若要 增大扩束比，就必须增加大焦距凸透镜的焦距，或者减小小焦距凸透镜的焦距。对 于大扩束比的扩束器来说，两凸透镜间距会很大， 一般都需要较长的镜筒，而且常 用光束扩束器一般都是仅有一种扩束比，这在应用中非常不便。对于高功率激光系统，因为其输出功率大，单色性高，在激光输出之前需要在 真空条件下进行大倍率扩束，同时在扩束器内部都要加入一个小孔构成空间滤波器， 改善输出光束质量。如图2所示，倒开普勒结构加入小孔后作为一个整体被密封于 真空之内，扩束比不可再变，而且大扩束比意味着长镜筒；倒伽利略结构由于不能 构成空间滤波器结构，造成光束质量下降，波前不易控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于高功率激光系统的 大倍率扩束器，本专利技术的特点是对于确定的一组透镜，本结构的扩束比通过调节 透镜间距可实现大范围内的连续可调；二是对于给定要求的扩束比，通过透镜焦距 的选择可找到一个最小间距，比普通扩束器节省空间。本专利技术的技术解决方案如下一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器，由同光轴的依次的第一凸透镜、滤 波小孔、凹透镜和第二凸透镜构成，所述的滤波小孔位于第一凸透镜的后焦点，上 述元件的位置满足下列关系<formula>formula see original document page 3</formula>其中丄,是滤波小孔与凹透镜的间距，丄2是凹透镜与第二凸透镜的间距，/。、/和/2分别是第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜的焦距，/ 为扩束器的扩束比。所述的第一凸透镜的口径r。应大于或等于输入光束口径；所述的凹透镜的口径r,由r。、 /Q、丄,共同决定，且满足^2i^//。；所述的第二凸透镜的口径^由系统要求的扩束比/ 及r。决定，且满足^2^"。。 本专利技术的技术效果由于凹透镜的加入，使有限空间下扩束倍率的调节范围得以提高，凹透镜以及 凸透镜的选择可以实现在相同的扩束比的前提下利用最小的轴向空间；此外，本发 明扩束器中加入了一个小孔滤波器，起到光束整形的作用。本专利技术结构简单，成本 低，调节范围大，可以应用于高功率激光系统的扩束。经实验表明本专利技术大倍率扩束器的扩束比通过调节透镜间距可实现大范围内的连续可调； 对于给定的扩束比，通过透镜焦距的选择可寻找到一个最小间距，比普通的扩束器 节省空间。本专利技术的大倍率扩束器应用到高功率激光系统中，是将第一凸透镜、滤波小孔 和凹透镜作为一个整体真空条件下封装于激光系统内，那么通过第二凸透镜的焦距 选择以及凹透镜与第二凸透镜之间的距离调节可以获得较大范围内不同的扩束比。由光路可逆原理可知，倒置本结构可用于光束縮束。附图说明图1为普通扩束器结构示意图。图2为已有的高功率激光器中常用扩束器。图3为本专利技术高功率激光系统中的大倍率扩束器的结构及参量示意图。图4是本专利技术扩束器的扩束比的可调谐特征。图5是本专利技术扩束器应用于高功率激光系统中扩束比的可调谐特征。 具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护 范围。先请参阅图3，图3为本专利技术用于高功率激光系统的大倍率扩束器的结构及参 量示意图。由图可见，本专利技术用于高功率激光系统的大倍率扩束器，由同光轴的依 次的第一凸透镜l、滤波小孔2、凹透镜3和第二凸透镜4构成，所述的滤波小孔2位于第一凸透镜1的后焦点，上述元件的位置满足下列关系:丄f其中丄,是滤波小孔2与凹透镜3的间距，^是凹透镜3与第二凸透镜4的间 距，/Q、,和/2分别是第一凸透镜1、凹透镜3与第二凸透镜4的焦距，P为扩束 器的扩束比。所述的第一凸透镜1的口径r。应大于或等于输入光束口径；所述的凹透镜3的口径。由r。、 Z。、丄,共同决定，且满足。2 所述的第二凸透镜4的口径^由系统要求的扩束比/ 及r。决定，且满足r2 2 -r。。根据系统对扩束器扩束比、空间长度的具体要求，结合本专利技术用于高功率激光 系统的大倍率扩束器的各参量满足的关系，确定系统的最优选择。1、 在功率较低的光学系统中，对于给定的/。、 y;、 /2，可以实现/ (丄)的连续可调。如/。=0.5、 乂=0.15、 /2=1.2时，主要调节^即可得到大范围的/ 变化， 如图4所示。2、 在功率较低的光学系统中，对于给定要求的^，通过/、 /2的适当选择，可 以达到￡(/，/2)的最小值。3、 对于高功率激光系统，将第一凸透镜l、空间滤波器2、凹透镜3作为一个整体封装于激光系统，用作激光系统的输出端。那么/。、 y;、丄,不可再变，通过调节丄2同时选择恰当的./2可以实现扩束比"的变化。如/。=0.5、 /=0.15、丄1=1时， 扩束比/ 与/2、丄2变化关系如图5所示。透镜孔径的选择第一凸透镜1的口径r。由输入光束口径决定，不能小于输入 光束口径；凹透镜3的口径。由r。、 /Q、 A共同决定，且满足/",2i^//。；第二凸透镜4的口径r2由系统要求的扩束比及r。决定，且满足r2 2 "r。。系统中的透镜口径由扩束器的输入光束束宽以及扩束比决定。对于功率较低的 光学系统，对于透镜以及空间长度^、 ^的选择没有多大要求。但对于高功率激光系统，透镜的表面一般要镀膜以加强必要的光学特性，考虑到膜层与透镜的破坏阈值，会对丄,、丄2的选择加入必要的限制，这在应用中必须注意。本专利技术用于高功率激光系统的大倍率扩束器，由于凹透镜的加入，使有限空间 下扩束比的调节范围得以提高，凹透镜以及凸透镜的选择可以实现在相同的扩束比 的前提下利用最小的轴向空间；此外，扩束器中加入了一个小孔滤波器，起到光束 整形的作用。总之，本专利技术具有结构简单，成本低，调节范围大的特点，可以应用于高功率 激光系统的扩束。权利要求1、一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器，特征在于由同光轴的依次的第一凸透镜(1)、滤波小孔(2)、凹透镜(3)和第二凸透镜(4)构成，所述的滤波小孔(2)位于第一凸透镜(1)的后焦点，上述元件的位置满足下列关系2、 根据权利要求1所述的用于高功率激光系统的大倍率扩束器，其特征在 于所述的第一凸透镜(1)的口径r0应大于或等于输入光束口径；所述的凹透镜(3) 的口径r由r0, f0、 L1共同决定，且满足r1≥L1r1/f0所述的第二凸透镜(4)的口 径r2由系统要求的扩束比β及r。决定，且满足r2≥βr。。全文摘要一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器，由同光轴的依次的第一凸透镜、滤波小孔、凹透镜和第二凸透镜构成，所述的滤波小孔位于第一凸透镜的后焦点，上述元件的位置满足下列关系其中L₁是滤波小孔与凹透镜的间距，L₂是凹透镜与第二凸透镜的间距，f₀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高功率激光系统的大倍率扩束器，特征在于由同光轴的依次的第一凸透镜（１）、滤波小孔（２）、凹透镜（３）和第二凸透镜（４）构成，所述的滤波小孔（２）位于第一凸透镜（１）的后焦点，上述元件的位置满足下列关系：Ｌ↓［１］＝ｆ↓［０］ ｆ↓［１］β／ｆ↓［２］－ｆ↓［１］Ｌ↓［２］＝ｆ↓［２］－ｆ↓［１］＋ｆ↓［１］ｆ↓［２］／ｆ↓［０］β其中：Ｌ↓［１］是滤波小孔（２）与凹透镜（３）的间距，Ｌ↓［２］是凹透镜（３）与第二凸透镜（４）的间距，ｆ↓［０］、ｆ↓［ １］和ｆ↓［２］分别是第一凸透镜（１）、凹透镜（３）与第二凸透镜（４）的焦距，β为扩束器的扩束比。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙美智，谢兴龙，康俊，陈绍和，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]