[发明专利]一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置

说明书

本发明公开了一种基于偏振态调控和各向异性双光子吸收效应生成平顶光束的光束整形装置，所述装置系统自左向右依次为飞秒脉冲激光器、矢量光场生成系统、聚焦透镜、各向异性双光子吸收材料和光场检测系统。光场的偏振取向和各向异性材料的晶体取向之间存在最佳匹配，且不同相对取向直接影响光束整形效果。本发明中光束整形装置，能独立调控各点的透射光强，生成的平顶光束具有完美的平整度；优化光场的偏振态取向和材料的晶轴取向匹配关系，能将生成的平顶光束平顶范围最大化。无需借助其他衍射光学元件，可实现对目标平顶光束的平顶范围自由调控，装置具有设置简单，可控性强，生成效果好、可实时调控等优点。

技术领域

本发明涉及光场调控领域，利用偏振态调控技术，将非线性光学中的各向异性双光子吸收效应运用于对光场的振幅调控，实现将基模高斯型光场整形为平顶光束的功能。该技术在材料加工、激光切割和激光印刷等方面具有应用价值。

背景技术

近年来，平顶光束因其独特的空间分布特性，引起了人们浓厚的研究兴趣。所谓平顶光束，即光强在横截面上具备均匀分布特点的光束。由于这样的光束具有独特的横向光强分布及焦场特性，被广泛应用于激光雕刻、微加工和粒子捕获等方面(D.L.Shealy andJ.A.Hoffnagle,“Laser beam shaping profiles and propagation,”Appl.Opt.45(21),5118-5131(2006).)。

现有的平顶光束生成方法众多，如非球面透镜法(B.R.Frieden,“Losslessconversion of a plane laser wave to a plane wave of uniform irradiance,”Appl.Opt.4(11),1400-1403(1965).)、双折射透镜组法(B.M.Van Wonterghem,J.T.Salmon,and R.W.Wilcox,et.al,“Beamlet pulse-generation and wavefront-control system,”ICF Quarterly Report,5(1),43(1994).)、多透镜合成法(F.M.Dickeyand S.C.Holswade,“Gaussian laser beam profile shaping,”Optical Engineering 35(35),3285-3295.(1996).)和光阑法(J.A.Hoffnagle and C.M.Jefferson,Design andperformance of a refractive optical system that converts a Gaussian to aflattop beam,Appl.Opt.39(30),5488-5499(2000).)等。然而，已有的方法都具有一定的局限性，如非球面透镜法，虽然有较高的能量利用率，但器件功能固定，可重复使用率低；双折射透镜法则对入射光的光强分布要求较高；多透镜合成法，理论上可以生成理想的平顶光束，但实际操作时却存在输出光束均匀性不好的问题；光阑法生成平顶光束简单直接，但损耗大，效率低等。随着工业技术的不断发展，更高效、更全面、多功能的光束整形方法成为科学研究和工业制造亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于各向异性双光子吸收效应的光束整形装置，本发明结合光场的偏振态调控和材料的各向异性双光子吸收效应，利用材料对不同偏振态的光极化响应的差异性，通过调控初始光场的偏振态分布，实现了将高斯光束整形成平顶光束，并且通过匹配材料的晶轴取向和入射光场的偏振取向，能够有效地提高光束整形的效率，生成平顶区域更大的平顶光束。另外，光场生成过程无需借助于衍射光学元件。由于入射场的偏振分布实时可控，最终生成的平顶光束输出效果也可实时调节，输出光场可控性强。且入射光场的偏振态分布是各点独立可调节的，故此生成的平顶光束具有完美的平整度。