激光空間光束整形系統(tǒng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究

激光空間光束整形系統(tǒng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究

1結(jié)構(gòu)光束的空間整形實(shí)驗(yàn)研究在高動態(tài)噪聲源的高能率激光裝置中，需要平均利用激光束強(qiáng)度。輸入光束的不均勻性導(dǎo)致b積分和其他非線性效應(yīng)，從而容易損壞激光介質(zhì)。同時(shí)，由于填充因子低，無法保證高能量提取效率。為了提高高功率激光系統(tǒng)的整體效率和充分利用光能,把高斯光束整形為平頂(均勻)光束有重要意義。激光光束的空間整形就是在空間上有效控制改變光場的分布,從而改進(jìn)光束的質(zhì)量。到目前為止,已經(jīng)發(fā)展了多種激光束空間整形技術(shù),如全息濾波器光束空間整形,二元矩形相位光柵用于高斯光束空間整形、衍射相位元件光學(xué)系統(tǒng)空間光束整形,選偏衍射相位元件光束空間整形,這些光束整形技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了光束整形,但同時(shí)也存在各種問題,限制它們的應(yīng)用。我們采用美國勞倫茲·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在其前端使用的一種新型空間光束整形系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用兩對石英雙折射透鏡巧妙而方便地實(shí)現(xiàn)了激光束的空間整形。本文對該系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了高斯光束的均勻化輸出,光束填充因子達(dá)到86%,能量利用率達(dá)到30%,并對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題作了分析。將該系統(tǒng)運(yùn)用到神光Ⅱ第九路中,在靜態(tài)情況下,可將光束填充因子從原來的66%提高到80%。2平凸或平凹透鏡成像如圖1所示,空間整形系統(tǒng)由兩對雙折射透鏡和起偏器、檢偏器組成。其中,L1、L2,L3、L4分別構(gòu)成兩組平凸-平凹透鏡對,晶體的主軸方向(豎直向)以及起偏、檢偏器的透振方向均垂直于系統(tǒng)的光軸方向。L1、L4是兩個(gè)完全相同的平凸透鏡,對偏振光而言,中心相當(dāng)于λ/2波片,有效通光孔徑邊緣處相當(dāng)于λ/4波片,兩鏡對稱排列;L2、L3是兩個(gè)完全相同的平凹透鏡,中心相當(dāng)于λ/4波片,有效通光孔徑邊緣處相當(dāng)于λ/2波片,兩鏡對稱放置;固定透鏡L1、L4的主軸與x軸同向,透鏡L2、L3的主軸平行并可作為一個(gè)整體繞系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)至任意角度。從激光器輸出的光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直和起偏后,通過該系統(tǒng)時(shí),調(diào)節(jié)透鏡L2、L3的主軸與豎直方向的夾角,入射到檢偏器上的光束在不同的位置有不同偏振態(tài),經(jīng)檢偏后的出射光則被整形為中心部分平頂(均勻)的線偏振光。假設(shè)透鏡L2、L3的主軸與x軸夾角為θ,由瓊斯矩陣方法對系統(tǒng)透過率進(jìn)行分析和計(jì)算,對于單個(gè)平凸或平凹透鏡,其瓊斯矩陣Mi(i=1,2,3,4)為Μi=[cosδi(r)+isinδi(r)cos2θiisinδi(r)sin2θiisinδi(r)sin2θicosδi(r)-isinδi(r)cos2θi],(1)Mi=[cosδi(r)+isinδi(r)cos2θiisinδi(r)sin2θiisinδi(r)sin2θicosδi(r)?isinδi(r)cos2θi],(1)式中,r是考察點(diǎn)到系統(tǒng)光軸的徑向距離,2δi(r)是透鏡對o光和e光的相位延遲,對于平凸或平凹透鏡有2δi(r)=2πΔnλdi(r),(2)2δi(r)=2πΔnλdi(r),(2)式中Δn=no-ne即雙折射晶體對o光和e光的折射率(分別表示為no,ne)差,λ是入射光波長,di(r)是透鏡上距離透鏡中心r處的晶體厚度,由幾何關(guān)系推導(dǎo)得出di(r)=di0-ρi|1-√1-(r/ρi)2|,(3)di(r)=di0?ρi∣∣1?1?(r/ρi)2?????????√∣∣,(3)式中ρi是透鏡的曲率半徑,對凸透鏡ρ>0,對凹透鏡ρ<0;di0是透鏡中心厚度。所以,整個(gè)整形系統(tǒng)的瓊斯矩陣為Μ=Μ5?Μ4?Μ3?Μ2?Μ1,(4)M=M5?M4?M3?M2?M1,(4)其中,檢偏器的瓊斯矩陣Μ5=M5=。起偏后的光束瓊斯矢量為Ein=[Ex(r)0],(5)Ein=[Ex(r)0],(5)輸出光束的瓊斯矢量為E=Μ?Ein,(6)E=M?Ein,(6)系統(tǒng)的光強(qiáng)透射率分布:Τ(r)=Ιout/Ιin,(7)T(r)=Iout/Iin,(7)透鏡L1、L4中心相當(dāng)于λ/2波片,有效通光孔徑邊緣相當(dāng)于λ/4波片,故d0和dr0滿足:{d0=(2m-1)λ/(2Δn),dr0=d0-λ/(4Δn),(8){d0=(2m?1)λ/(2Δn),dr0=d0?λ/(4Δn),(8)由幾何關(guān)系推導(dǎo)得Δn?(d0-dr0)=Δn?(ρ-√ρ2-r20)=λ/4,Δn?(d0?dr0)=Δn?(ρ?ρ2?r20??????√)=λ/4,因此ρ=2Δnr20/λ+λ/(8Δn),(9)ρ=2Δnr20/λ+λ/(8Δn),(9)同理,求得平-凹透鏡L2、L3的曲率半徑:ρ′=-ρ=-2Δnr20/λ-λ/(8Δn).(10)ρ′=?ρ=?2Δnr20/λ?λ/(8Δn).(10)3整形工藝對高斯光束透射率的影響入射基模高斯光束的歸一化光強(qiáng)分布為Ι(r)=exp(-2r2/ω2),其中ω是光束光斑半徑,為了使輸出的整形光束有最高效率和最大功率,若整形所需要的平頂光斑半徑為r0,則滿足ω=√2?r0.(11)在工程中,工作波長為λ=1053nm,入射光束的口徑為16mm,要求整形后的光束平頂寬度大于10mm。根據(jù)(11)式,該入射口徑光束經(jīng)整形后可得到直徑約11.3mm的平頂光束。石英晶體Δn=0.008747,經(jīng)計(jì)算需要透鏡L1、L4的曲率半徑為ρ=530.36mm,中心厚度為3.07mm[考慮到透鏡加工要求,(8)式中m取26],平凹透鏡的中心厚度為3.04mm(m取51)。旋轉(zhuǎn)透鏡L2、L3的光軸相對x軸的角度,對由(4)式～(7)式得到的系統(tǒng)透射率T(r),及高斯光束經(jīng)系統(tǒng)后的輸出光強(qiáng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2為整形系統(tǒng)的光強(qiáng)透射率分布,圖3是對高斯光束整形后的輸出光強(qiáng)分布,可以看出,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為23°時(shí),得到的理想平頂光束(圖中虛線所示q=π/7.7)填充因子可達(dá)94.5%(θ為整形透鏡對L2-L3光軸相對x軸的旋轉(zhuǎn)角度)。但是,在工程設(shè)計(jì)中透鏡加工難免存在誤差。對該系統(tǒng)而言,平凹透鏡對的中心厚度誤差對輸出光強(qiáng)有直接影響,若其誤差量為σ,則d′0=(2m-1+ξ)λ4Δn=(2m-1)λ4Δn+σ,(12)其中σ=ξλ4Δn,(13)圖4的模擬是σ在0～20μm范圍內(nèi),整形透鏡對光軸旋轉(zhuǎn)角度θ大約為23°時(shí)的結(jié)果?？梢钥吹?輸出光束口徑為10mm左右時(shí),大約2μm的中心厚度誤差可以得到較好的整形效果,光束填充因子達(dá)到97.4%;隨著厚度誤差的增大,盡管仍可以將高斯光束整形為平頂光束,但平頂口徑逐漸減小,能量提取效率降低。厚度誤差為負(fù)值時(shí),則不能得到理想的均勻光束。根據(jù)理論分析,我們要求的加工精度是3.0418mm±0.005mm。除了厚度誤差以外,以下因素對輸出光束的質(zhì)量也會產(chǎn)生較大影響。3.1光束偏離子束的影響圖5為當(dāng)入射光束與整形系統(tǒng)光軸平行,但不在同一直線上時(shí)對整形效果的影響(d為光束偏離系統(tǒng)光軸的橫向距離)。可以看出,光束越偏離系統(tǒng)光軸,輸出光束強(qiáng)度分布整體的傾斜度越大,影響了光束的均勻性分布。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)入射光束偏離±0.2mm時(shí),輸出光強(qiáng)的強(qiáng)度起伏已達(dá)到15%。3.2度分布的傾斜當(dāng)入射光束與整形系統(tǒng)的光軸有一小角度時(shí),整形光束的強(qiáng)度分布也存在一定的傾斜,如圖6所示。經(jīng)計(jì)算,入射光束斜入射角度在4°時(shí),輸出光強(qiáng)的強(qiáng)度起伏達(dá)到大約15%;隨著斜入射角度的增加,輸出光強(qiáng)的空間不均勻性逐漸增大。3.3振光及圓偏振光整形后模擬結(jié)果對比圖7是對完全理想偏振光、偏振度為90%和80%的橢圓偏振光以及圓偏振光整形后的模擬結(jié)果圖。與圖3比較,可見隨著入射光束偏振度的降低,適當(dāng)減小整形透鏡對旋轉(zhuǎn)角度,仍可得到較好的均勻光束,且其平頂寬度增加,但能量利用率降低。3.4超高斯光束的整形該光束空間整形系統(tǒng)不僅對高斯光束有顯著整形效果,同樣對4階超高斯光束有整形效果,只是整形透鏡對的光軸旋轉(zhuǎn)角度不同。圖8為對4階超高斯光束的整形效果圖?？梢钥闯?在整形透鏡對光軸旋轉(zhuǎn)大約18°時(shí)可以得到較好的整形效果,相比于高斯光束,只是透鏡組的光軸旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生了改變,且其能量利用效率明顯提高。3.5整形構(gòu)造當(dāng)入射光束口徑發(fā)生變化時(shí),該整形系統(tǒng)同樣有較好的整形效果,只需要調(diào)整整形透鏡對光軸的旋轉(zhuǎn)角度即可。圖9為光束口徑變大、減小與原來口徑不變時(shí)的整形效果對比圖?？梢钥闯?當(dāng)入射光束口徑增大時(shí),減小整形透鏡組光軸的旋轉(zhuǎn)角度即可得到較好的整形效果;反之,則需增大旋轉(zhuǎn)角度。4算例2:明金光檢測光束在金相檢測中的輸出光強(qiáng)度由以上理論分析,我們采用1053nm光纖激光器作為連續(xù)光光源,實(shí)驗(yàn)光路如圖10所示。由光纖直接輸出的光源光強(qiáng)分布如圖11所示。經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直到光束口徑為16mm,起偏后,進(jìn)入光束空間整形系統(tǒng)。圖12為光束經(jīng)過整形系統(tǒng)和檢偏后由CCD采集的輸出光強(qiáng)度分布圖。圖12中平頂部分的傾斜是由于整形透鏡組在旋轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的系統(tǒng)同心度偏離所造成?？梢钥闯?光束的空間分布上有圓孔光闌衍射造成的衍射環(huán),因此進(jìn)一步利用軟邊光闌結(jié)合空間濾波器,可改善光束近場分布,抑制光束總體的衍射調(diào)制。光束經(jīng)過波紋軟邊光闌后,在光闌的像面上得到的輸出光強(qiáng)分布如圖13所示。之后,光束經(jīng)空間濾波器,消除掉由軟邊光闌帶來的高頻調(diào)制成分,在光闌的像面上由CCD采集輸出光強(qiáng)的分布,如圖14所示。比較圖14和圖11可見,我們已經(jīng)成功地將高斯分布的光束整形為空間上均勻分布的平頂光束。光束填充因子達(dá)到86%,能量利用率達(dá)到30%。5cd填充因子檢測目前,該系統(tǒng)已試用于神光Ⅱ九路系統(tǒng),在靜態(tài)(放大器未工作)條件下由CCD采集到的主激光光束整形前和整形后的強(qiáng)度分布(非像面位置)圖像如圖15所示。在近場靜態(tài)條件下,經(jīng)過測試,可將光束的填充因子從66%提高到80%。在近場動態(tài)(放大器工作的情況下)條件下,系統(tǒng)目前正在進(jìn)行調(diào)試。6項(xiàng)目研究的背景由非球面透鏡的瓊斯矩陣出發(fā),利用光學(xué)傳輸矩陣對雙折射透鏡組空間光束整形系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析,數(shù)值模擬了整形效果,