光纤激光准直出射系统研究(2)
由于光纤激光器工作物质为掺杂光纤，谐振腔为光纤光栅。所以与传统激光器相比，其通过光纤出光，光纤端面口径小，输出光束为发散的非准直光，发散角较大，需要经过准直才能加以应用。在激光加工领域，激光器输出的激光需要经过加工头聚焦在加工物质表面，以获得较小的光斑，来提高能量密度和加工精度。而光纤激光器输出的非准直光不能直接聚焦得到良好的聚焦光斑，需要设计相应的准直器件使输出光束先变成准直光以获得更好的聚焦。而激光武器需要对远处目标输出高度集中的能量以毁伤目标，较大的发散角使得激光远场光斑过大，需要准直器件压缩发散角，提高光束的准直性，增加有效射程。针对于光纤激光器的准直需求，目前国际上有多家公司为光纤激光器生产准直器件，如瑞典的Optoskand公司等。其生产的准直器基于光纤光学设计，具有可承载高平均功率、光学焦点漂移小、无损光束质量等优点。国内公司目前还不具备制造与国际通用型号光纤激光器所连接的准直系统的能力。
激光光束整形技术通常是指将入射激光光束的能量分布转换成其他所需要的能量分布，同时对其相位进行控制，以得到预期的传播特性或光斑形状[2]。光纤激光器发出的光束是高斯光束，其垂直于光轴横截面上的能量分布符合高斯分布函数，大部分能量集中在光轴附近区域。但是在许多应用领域，我们需要光束的能量均匀地分布在光斑范围内，即平顶光束。如激光加工领域，采用平顶光束进行激光切割或激光焊接时，加工位置比采用高斯光束更加平滑均匀。可以使高斯光束通过特殊设计的光学整形系统，从而得到光强均匀分布的平顶光束[3]。
1.2 激光整形方法
最初人们采用光阑拦截法获取能量均匀分布的光束，因为高斯光束中心区域能量分布较为均匀，通过放置小孔光阑拦截周围光强，可使透过光束能量分布近似均匀，但能量利用率低，所以人们开始研究各种能量损失较小的光束整形方法，如：非球面透镜组法、衍射光学元件法、微透镜阵列、双折射透镜组、基于变形镜的整形方法等，都可以在能量损失较小的情况下实现高斯光束能量分布的均匀化[4]。其中，非球面透镜法最具有工程实用价值，故对其进行详细介绍。
Frieden[7]和Kreuzer[8]分别于1965年、1969年提出可以使用双分离透镜组将具有高斯型能量分布的激光光束转换为均匀的平顶光束。为了求解输入光束与输出光束之间的映射关系，他们对输入光束与输出光束分别建立物理模型，最后用能量守恒定律来建立关系。Frieden在研究过程中发现高斯光束通过单个透镜后，输出光束在能量均匀位置的波前差大约为20 ，因此不能直接进行应用，需要加入第二个透镜来改善出射光束的波前质量，才能应用于大多数对出射光束准直性要求较高的应用中。为达到对输出光束波前和能量分布的同时变换，第二个透镜可以采用非球面结构，使通过系统的所有光束经过的光程相等。Frieden设计的双分离透镜组整形系统对比之前的光阑拦截法来说，输出光束光强损失小、可对输出光束相位进行控制，但受限于当时的技术水平，非球面面形加工的难度较高，精度得不到保障。为了克服非球面镜难以加工的缺点，增强系统的实用性和可行性，后来的研究人员研究了多种改进整形方法并加以应用。
P. W. Rhodes和D. L. Shealy同样利用出射光束与入射光束的映射关系设计了一个由两个透镜组成的光束整形器件，与之前的系统不同的是，第一个透镜是平-凹非球面透镜，第二个透镜才是平-凸非球面透镜，用来二次整形并校正相位差[9]，这种方法使整个光学系统结构更加紧凑。针对非球面透镜难以加工的特点，Shafer[10]使用双胶合球面透镜对高斯光束进行整形，但是输出光束的准直性与光强均匀性都不理想。1999年，Hoffhagle和Jefferson根据Kreuzer提出的研究思路，设计了一种可以采用单个平-凸非球面透镜对高斯光束进行整形的整形系统，这种系统降低了光学元件加工难度，使得成本大大降低，但是输出光束的能量分布在远场具有严重的不均匀性，限制了其应用范围[11]。但由于其适用于从红外到紫外的宽光谱范围，所以这种整形系统已经成功投入到实际的应用中。北京工业大学的陈凯[16]等人通过尝试拟合低阶非球面面形来降低加工难度，并设计了一种在一定范围内束腰尺寸的高斯光束都适用的整形系统。
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