專利名稱：大倍率擴(kuò)束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光器件，特別是一種用于激光器的大倍率擴(kuò)束器。
技術(shù)背景'在現(xiàn)代光學(xué)中，特別是激光應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)束器是一種常用的光束變換器。通常 有兩種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束結(jié)構(gòu)倒開普勒結(jié)構(gòu)與倒伽利略結(jié)構(gòu)。倒開普勒結(jié)構(gòu)如圖l所示， 擴(kuò)束器是一個(gè)小焦距凸透鏡與一個(gè)大焦距凸透鏡同軸串聯(lián)構(gòu)成，且小焦距凸透鏡的 物方焦點(diǎn)與大焦距凸透鏡的像方焦點(diǎn)重合，則擴(kuò)束比等于兩個(gè)透鏡焦距之比。若要 增大擴(kuò)束比，就必須增加大焦距凸透鏡的焦距，或者減小小焦距凸透鏡的焦距。對 于大擴(kuò)束比的擴(kuò)束器來說，兩凸透鏡間距會(huì)很大， 一般都需要較長的鏡筒，而且常 用光束擴(kuò)束器一般都是僅有一種擴(kuò)束比，這在應(yīng)用中非常不便。對于高功率激光系統(tǒng)，因?yàn)槠漭敵龉β蚀?，單色性高，在激光輸出之前需要?真空條件下進(jìn)行大倍率擴(kuò)束，同時(shí)在擴(kuò)束器內(nèi)部都要加入一個(gè)小孔構(gòu)成空間濾波器， 改善輸出光束質(zhì)量。如圖2所示，倒開普勒結(jié)構(gòu)加入小孔后作為一個(gè)整體被密封于 真空之內(nèi)，擴(kuò)束比不可再變，而且大擴(kuò)束比意味著長鏡筒；倒伽利略結(jié)構(gòu)由于不能 構(gòu)成空間濾波器結(jié)構(gòu)，造成光束質(zhì)量下降，波前不易控制。 .發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大倍率擴(kuò)束器，本 實(shí)用新型的特點(diǎn)是對于確定的一組透鏡，本結(jié)構(gòu)的擴(kuò)束比通過調(diào)節(jié)透鏡間距可實(shí) 現(xiàn)大范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)；二是對于給定要求的擴(kuò)束比，通過透鏡焦距的選擇可找到 一個(gè)最小間距，比普通擴(kuò)束器節(jié)省空間。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依次的第一凸透鏡、.濾波小孔、凹透鏡和第二 凸透鏡構(gòu)成，所述的濾波小孔位于第一凸透鏡的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列 關(guān)系M /21 2 2 1 /0〃其中^是濾波小孔與凹透鏡的間距，丄2是凹透鏡與第二凸透鏡的間距，/。、乂和/2分別是第一凸透鏡、凹透鏡和第二凸透鏡的焦距，-為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。所述的第一凸透鏡的口徑r。應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡的口徑。由r。、 /。、丄,共同決定，且滿足r,2i^,/./0 ;所述的第二凸透鏡的口徑^由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比"及r。決定，且滿足r2 2 / r。。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果-由于凹透鏡的加入，使有限空間下擴(kuò)束倍率的調(diào)節(jié)范圍得以提高，凹透鏡以及 凸透鏡的選擇可以實(shí)現(xiàn)在相同的擴(kuò)束比的前提下利用最小的軸向空間；此外，本實(shí) 用新型擴(kuò)束器中加入了一個(gè)小孔濾波器，起到光束整形的作用。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡 單，成本低，調(diào)節(jié)范圍大，可以應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)的擴(kuò)束。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明.-本實(shí)用新型大倍率擴(kuò)束器的擴(kuò)束比通過調(diào)節(jié)透鏡間距可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的連續(xù)可 調(diào)；對于給定的擴(kuò)束比，通過透鏡焦距的選擇可尋找到一個(gè)最小間距，比普通的擴(kuò) 束器節(jié)省空間。本實(shí)用新型的大倍率擴(kuò)束器應(yīng)用到高功率激光系統(tǒng)中，是將第一凸透鏡、濾波 小孔和凹透鏡作為一個(gè)整體真空條件下封裝于激光系統(tǒng)內(nèi)，那么通過第二凸透鏡的 焦距選擇以及凹透鏡與第二凸透鏡之間的距離調(diào)節(jié)可以獲得較大范圍內(nèi)不同的擴(kuò)束 比。由光路可逆原理可知，倒置本結(jié)構(gòu)可用于光束縮束。

圖1為普通擴(kuò)束器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為已有的高功率激光器中常用擴(kuò)束器。圖3為本實(shí)用新型高功率激光系統(tǒng)中的大倍率擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)及參量示意圖。 圖4是本實(shí)用新型擴(kuò)束器的擴(kuò)束比的可調(diào)諧特征。圖5是本實(shí)用新型擴(kuò)束器應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中擴(kuò)束比的可調(diào)諧特征。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍。先請參閱圖3，圖3為本實(shí)用新型大倍率擴(kuò)束器的結(jié)構(gòu)及參量示意圖。由圖可 見，本實(shí)用新型大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依次的第一凸透鏡l、濾波小孔2、凹透鏡3和第二凸透鏡4構(gòu)成，所述的濾波小孔2位于第一凸透鏡1的后焦點(diǎn)，上述元 件的位置滿足下列關(guān)系其中丄,是濾波小孔2與凹透鏡3的間距，丄2是凹透鏡3與第二凸透鏡4的間 距，./o、 /和/2分別是第一凸透鏡1、凹透鏡3與第二凸透鏡4的焦距， 〃為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。所述的第一凸透鏡l的口徑r。應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡3的口徑。由r。、 /。、丄,共同決定，且滿足^ ；所述的第二凸透鏡4的口徑。由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比-及r。決定，且滿足r2 2 y9r。。根據(jù)系統(tǒng)對擴(kuò)束器擴(kuò)束比、空間長度的具體要求，結(jié)合本實(shí)用新型大倍率擴(kuò)束 器的各參量滿足的關(guān)系，確定系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。1、 在功率較低的光學(xué)系統(tǒng)中，對于給定的.Zo、 /、 /2，可以實(shí)現(xiàn)/ (丄)的連續(xù) 可調(diào)。如/。=0.5、 /=0.15、 /2=1.2時(shí)，主要調(diào)節(jié)丄,即可得到大范圍的yS變化， 如圖4所示。2、 在功率較低的光學(xué)系統(tǒng)中，對于給定要求的/ ，通過/、 /2的適當(dāng)選擇，可以達(dá)到丄(y;，/0的最小值。3、 對于高功率激光系統(tǒng)，將第一凸透鏡l、空間濾波器2、凹透鏡3作為一個(gè) 整體封裝于激光系統(tǒng)，用作激光系統(tǒng)的輸出端。那么/。、 /、 A不可再變，通過調(diào) 節(jié)丄2同時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)?2可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束比;5的變化。如/。=0.5、 ,=0.15、 ￡1=1時(shí)， 擴(kuò)束比"與/2、 A變化關(guān)系如圖5所示。透鏡孔徑的選擇第一凸透鏡1的口徑r。由輸入光束口徑?jīng)Q定，不能小于輸入光束口徑；凹透鏡3的口徑r,由r。、 /。、 ^共同決定，且滿足^2丄^//。；第二凸透鏡4的口徑r2由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比/ 及r。決定，且滿足r2 2 。系統(tǒng)中的透鏡口徑由擴(kuò)束器的輸入光束束寬以及擴(kuò)束比決定。對于功率較低的 光學(xué)系統(tǒng)，對于透鏡以及空間長度1,、丄2的選擇沒有多大要求。但對于高功率激光系統(tǒng)，透鏡的表面一般要鍍膜以加強(qiáng)必要的光學(xué)特性，考慮到膜層與透鏡的破壞閾 值，會(huì)對A、丄2的選擇加入必要的限制，這在應(yīng)用中必須注意。本實(shí)用新型大倍率擴(kuò)束器，由于凹透鏡的加入，使有限空間下擴(kuò)束比的調(diào)節(jié)范 圍得以提高，凹透鏡以及凸透鏡的選擇可以實(shí)現(xiàn)在相同的擴(kuò)束比的前提下利用最小 的軸向空間；此外，擴(kuò)束器中加入了一個(gè)小孔濾波器，起到光束整形的作用。總之，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于高 功率激光系統(tǒng)的擴(kuò)束。
權(quán)利要求1、一種大倍率擴(kuò)束器，特征在于由同光軸的依次的第一凸透鏡(1)、濾波小孔(2)、凹透鏡(3)和第二凸透鏡(4)構(gòu)成，所述的濾波小孔(2)位于第一凸透鏡(1)的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列關(guān)系<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mi>&beta;</mi> </mrow> <msub><mi>f</mi><mn>2</mn> </msub></mfrac><mo>-</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="Y2007201989890002C1.tif" wi="25" he="10" top= "54" left = "40" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn></msub><mi>&beta;</mi> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="Y2007201989890002C2.tif" wi="31" he="10" top= "54" left = "92" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中L1是濾波小孔(2)與凹透鏡(3)的間距，L2是凹透鏡(3)與第二凸透鏡(4)的間距，f0、f1和f2分別是第一凸透鏡(1)、凹透鏡(3)與第二凸透鏡(4)的焦距，β為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大倍率擴(kuò)束器,其特征在于所述的第一凸透鏡(D的口徑/"。應(yīng)大于或等于輸入光束口徑；所述的凹透鏡(3)的口徑r,由/"。、 /。、 A共同決定，且滿足 5》￡1/1//。；所述的第二凸透鏡(4〉的口徑^由系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比-及4決定,且滿足/^/^。
專利摘要一種大倍率擴(kuò)束器，由同光軸的依次的第一凸透鏡、濾波小孔、凹透鏡和第二凸透鏡構(gòu)成，所述的濾波小孔位于第一凸透鏡的后焦點(diǎn)，上述元件的位置滿足下列關(guān)系L₁=(f₀f₁β/f₂)/f₁,L₂=f₂-f₁+(f₁f₂/f₀β)其中L₁是濾波小孔與凹透鏡的間距，L₂是凹透鏡與第二凸透鏡的間距，f₀、f₁和f₂分別是第一凸透鏡、凹透鏡和第二凸透鏡的焦距，β為擴(kuò)束器的擴(kuò)束比。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和調(diào)節(jié)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B27/09GK201166740SQ200720198989
公開日2008年12月17日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者孫美智, 俊 康, 謝興龍, 陳紹和 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所