[发明专利]高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及激光束整形技术领域，特别是涉及高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用。

背景技术

基模激光束的光强分布为高斯分布，但是在很多应用中希望激光束的光强分布是均匀的，并且光斑形状为矩形（包括正方形）。例如激光脉冲喷丸强化与成形技术中要求功率密度大于GW/cm²，脉宽在10-30ns，能量均匀分布的正方形激光束。

实现激光束整形和均匀化的方法很多。主要有非球面透镜法、非球面反射镜方法、双折射透镜组方法以及衍射光学元件法等。

非球面透镜技术实现激光光束整形最早是B.R.Frieden在《Applied Optics》（《应用光学》）Vol.4(11)：1400-1403,1965（1965年，第4卷（第11期）第1400-1403页）中的论文“Lossless conversion of a plane laser wave to a plane wave of uniform irradiance”（平面激光束到均匀平面波的无损转换）和J.L.Kreuzer在USA,US3476463,November1969（1969年11月，美国专利号US3476463）中的专利“Coherent light optical system yielding an output beam of desired intensity distribution at a desired equiphase surface”（在特定等相位面上产生预期强度分布输出光束的相干光学系统）中提出的：对于能量分布具有对称性的激光光束，根据能量守恒定律来建立输入输出面光束之间的函数关系，采用非球面透镜结构使通过系统的所有光束满足等光程原理来控制输出光束的相位变化，实现对于输出光束的能量均匀化，将圆形高斯光束转化为能量均匀分布的平顶圆形光斑。这方面最新的研究还包括J.A.Hoffnagle等人在《Applied Optics》(《应用光学》)，Vol.39(30),5488-5499,2000(2000年,第39卷(第30期)第5488-5499页)的论文“Design and performance of a refractive optical system that converts a Gaussian to a flattop beam”（高斯光束转换成平顶光束的折射光学系统的设计及性能）和C.Liu等人在《Optics Express》(《光学快讯》),Vol.16(9),6675-6682,2008(2008年,第16卷(第9期)第6675-6682页)的论文“Study of singular radius and surface boundary constraints in refractive beam shaper design”（关于折射光束整形器设计研究中奇异半径和表面边界约束的研究）所做的工作。

双折射透镜实现激光束的空间整形，是由两对双折射晶体透镜和一个检偏器组成，该方法是杨向通等人于2006年11月在《光学学报》第26卷第11期第1698-1704页的论文“利用双折射透镜组实现激光束空间整形”发表。其透射率函数可随着光束参数的变化灵活改变，适用于线偏振高斯光束的整形为光强均匀分布的圆形光斑。