用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统，解决现有光学透镜匀化对于宽谱段、高功率激光器而言，不利于激光光斑的匀化设计，而实现匀化导致结构复杂、稳定性差的问题。该方法包括步骤：1)根据所需模拟光斑大小设计准直物镜有效口径D1和焦距f1；2)将匀化光纤与光纤激光器相连，根据匀化光纤的光束发散角α及准直物镜有效口径D1，获得激光光斑能量分布；3)从激光光斑能量分布寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域；4)准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜的设计；5)在匀化光纤输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，即完成激光光斑匀化系统的搭建。匀化系统的搭建。匀化系统的搭建。

【技术实现步骤摘要】
用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统


[0001]本专利技术属于空间光学目标模拟领域，具体涉及一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统设计方法及采用该方法搭建的激光光斑匀化系统。

技术介绍

[0002]为保证卫星在轨正常工作，需对卫星所处空间环境进行地面模拟。为避免由于光源照射至目标的光强分布不均，导致卫星对目标进行信息提取时出现误差，需保证模拟目标的光斑均匀性较高，即需要对激光光斑进行匀化处理。
[0003]现有激光光斑匀化方式主要包括光纤匀化、光学透镜匀化、菲涅耳透镜匀化、衍射光学元件匀化及微透镜阵列匀化等方式。目前，最稳定可靠且实用的匀化方式为光学透镜匀化。光学透镜匀化原理是通过在光学设计软件中输入激光高斯光束的光斑参数，然后通过评价函数(评价函数即为优化函数)中几何光线来优化透镜的矢高，将高斯光束整形为平顶光束，由于透镜优化是通过软件实现的，在设计时可采用自由曲面增加匀化系统的灵活性。
[0004]目前光学透镜匀化主要是针对单波长、低功率激光器，但在实际应用中，尤其是对于宽谱段、高功率激光器而言，其激光光斑参数在不同谱段不同功率范围内都不尽相同，不利于激光光斑的匀化设计，若要实现激光光斑的匀化，则需要采用结构复杂的匀化系统，且因透镜匀化结果与工作距离严格相关，随距离变化较为敏感，使得系统稳定性相对较差。

技术实现思路

[0005]为了解决现有光学透镜匀化对于宽谱段、高功率激光器而言，不利于激光光斑的匀化设计，而要实现匀化易导致系统结构复杂，以及稳定性较差的技术问题，本专利技术提供了一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法及该系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0007]一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0008]1)准直物镜参数设计
[0009]根据所需模拟光斑大小设计准直物镜的参数，所述参数包括有效口径(出瞳直径)D1、焦距f1和工作波长范围；
[0010]2)获得激光光斑能量分布
[0011]将匀化光纤的输入端与光纤激光器尾纤相连，根据匀化光纤输出端的光束发散角α以及准直物镜的有效口径D1，获得与匀化光纤输出端相距H处的有效口径D1范围内的激光光斑能量分布；
[0012]其中，
[0013]3)计算光斑中心区域能量占比
[0014]从步骤2)有效口径D1范围内激光光斑能量分布寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域，计算该光斑中心区域能量与有效口径D1所对应区域能量的占比A；
[0015]4)切趾器参数设计
[0016]切趾器参数包括依次设置的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜；
[0017]4.1)准直透镜设计
[0018]根据匀化光纤输出端的光束发散角α，确定准直透镜的F数F1#，然后根据准直透镜的F1#，设计准直透镜的有效口径D2和焦距f2；
[0019]4.2)孔径光阑设计
[0020]根据所述占比A和准直透镜的有效口径D2，设计孔径光阑的有效口径D3；
[0021]4.3)聚焦透镜设计
[0022]将孔径光阑的有效口径D3作为聚焦透镜的有效口径D4，通过下式计算聚焦透镜的焦距f3：
[0023]f3＝F
2#
×
D4；
[0024]其中，F2#为聚焦透镜的F数，与准直物镜的F数F#相同，
[0025]5)搭建激光光斑匀化系统
[0026]在匀化光纤的输出端依次设置步骤4)设计的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，且准直透镜的焦点与匀化光纤出口端中心重合，以及聚焦透镜的焦点与准直物镜的焦点重合，即完成激光光斑匀化系统的搭建。
[0027]进一步地，步骤3)中，所述寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域是从有效口径D1向中心依次寻找的。
[0028]本专利技术还提供了一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统，其特殊之处在于：采用上述用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法搭建而成；
[0029]包括输入端与光纤激光器尾纤相连的匀化光纤以及依次设置在匀化光纤输出端的切趾器和准直物镜；
[0030]所述切趾器包括沿光路依次设置的准直透镜、孔径光阑和聚焦透镜，所述准直透镜的焦点与匀化光纤出口端中心重合，所述聚焦透镜的焦点与准直物镜的焦点重合。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的优点是：
[0032]1、本专利技术用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统，采用匀化光纤与切趾器相结合的形式，提高激光光斑的能量均匀性，并对切趾器进行合理的设计，实现对激光光斑的高均匀性，完成无穷远均匀亮目标模拟。
[0033]2、本专利技术用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统具有结构简单、体积较小、稳定性好的特点，且光斑能量均匀性不随工作距离变化而变化。
[0034]3、本专利技术用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法所搭建的激光光斑匀化系统适用于各个常见波段的光源，尤其适用于高功率、宽谱段激光器等特殊光源。
附图说明
[0035]图1为本专利技术用于光纤激光器的激光光斑匀化系统与光斑能量分布示意图；
[0036]其中，附图标记如下：
[0037]1‑
光纤激光器，2
‑
匀化光纤，3
‑
切趾器，31
‑
准直透镜，32
‑
孔径光阑，33
‑
聚焦透镜，4
‑
准直物镜。
具体实施方式
[0038]以下结合附图和具体实施例对本专利技术的内容作进一步详细描述。
[0039]如图1所示，本专利技术一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统，主要工作原理为：光纤激光器经尾纤发射激光，经过匀化光纤(此次实施方案中采取的匀化光纤为方芯光纤)进行能量匀化，使得光斑原有的能量分布被打乱，但由于器件的局限性，导致能量均匀性不高，为此通过“切趾器”(透镜系统)实现高匀化要求，准直透镜可实现光束的准直，通过光阑来选择根据满足均匀性要求的光束，再通过聚焦透镜完成光束的聚焦，最后通过准直物镜完成无穷远均匀光学目标的模拟。包括输入端与光纤激光器1尾纤相连的匀化光纤2以及依次设置在匀化光纤2输出端的切趾器3和准直物镜4，本专利技术基于光纤激光器1光源，依据光纤激光器1的出光方式，采用匀化光纤2与切趾器3相结合的形式，来提高激光光斑的能量均匀性。
[0040]如图1所示，光纤激光器1经尾纤出射激光，其能量分布为高斯分布，激光经过匀化光纤(方芯光纤)2时会打乱原有的高斯能量分布，从而将激光的能量分布进行匀化，使输出光斑能量均匀性有显著提升，但由于匀化光纤2自身的限制因素，导致激光光斑能量均匀性不会太高，无法满足高均匀性的要求。为了使得输出激光光斑的均匀性进一步提高，在匀化光纤2之后设置切趾器3并对其结构进行设计，实现对光斑进一步匀化，再经过准直物镜4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于光纤激光器的激光光斑匀化系统搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)准直物镜(4)参数设计根据所需模拟光斑大小设计准直物镜(4)的参数，所述参数包括有效口径D1、焦距f1和工作波长范围；2)获得激光光斑能量分布将匀化光纤(2)的输入端与光纤激光器(1)尾纤相连，根据匀化光纤(2)输出端的光束发散角α以及准直物镜(4)的有效口径D1，获得与匀化光纤(2)输出端相距H处的有效口径D1范围内的激光光斑能量分布；其中，3)计算光斑中心区域能量占比从步骤2)有效口径D1范围内激光光斑能量分布中寻找满足均匀性要求的最大透过率的光斑中心区域，计算该光斑中心区域能量与有效口径D1所对应区域能量的占比A；4)切趾器(3)参数设计4.1)准直透镜(31)设计根据匀化光纤(2)输出端的光束发散角α，确定准直透镜(31)的F数F1#，然后根据准直透镜(31)的F1#，设计准直透镜(31)的有效口径D2和焦距f2；4.2)孔径光阑(32)设计根据所述占比A和准直透镜(31)的有效口径D2，设计孔径光阑(32)的有效口径D3；4.3)聚焦透镜(33)设计将孔径光阑(32)的有效口径D3作为聚焦透镜(33)的有效口径D4，通过下式计算聚焦透镜(...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛振，李朝辉，刘佳妮，赵建科，高立民，陆琳，刘勇，魏紫薇，朱辉，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：