[發(fā)明專利]一種提高激光輸出能量分布均勻性的裝置及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710951229.7
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107515471A
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許良;常亮;王曉麗;張居甲;丁永超;王咸奇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院云南天文臺
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/48
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11616
• 代理人: 晏榮府

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計一種提高激光輸出能量分布均勻性的裝置及方法。

背景技術(shù)

激光作為一種高亮度、高相干和單色性好的光源而得到廣泛應(yīng)用，比如激光顯示、慣性約束聚變和天文光譜儀定標等領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)す獾哪芰糠植季鶆蛐远加休^高的要求。但是激光在系統(tǒng)中傳輸時，由于相干性好，容易形成干涉條紋；同時，當(dāng)光路中的界面存在和波長尺度相當(dāng)?shù)牟灰?guī)則結(jié)構(gòu)時，容易產(chǎn)生空間強度起伏的散斑結(jié)構(gòu)，造成能量分布不均勻，嚴重影響了激光的使用范圍。

比如在激光顯示領(lǐng)域，這種能量的不均勻性會造成顯示圖像分辨率和對比度下降，同時對觀看者造成眼部不適。

比如在慣性約束聚變領(lǐng)域，這種能量的不均勻性會導(dǎo)致激光束與靶丸相互作用過程中各種參量不穩(wěn)定效應(yīng)的產(chǎn)生，從而降低靶丸壓縮的球?qū)ΨQ性，造成點火失敗。

比如在天文光譜儀定標領(lǐng)域，如基礎(chǔ)物理常數(shù)測量、宇宙爆炸加速度測量和系外行星探測等，都對入射光的能量均勻性提出了較高要求。入射光包括平場燈、定標燈和待測星光。平場燈常用的是鹵素?zé)?，用來解決探測器不同像素間強度響應(yīng)不一致的問題。定標燈常用的是空心陰極燈和飛秒激光器?？招年帢O燈使用方便，價格較為低廉，定標穩(wěn)定性在10^-7。當(dāng)需要高精度波長定標時，飛秒激光器提供了一種更好的選擇。飛秒激光在一定光譜范圍內(nèi)具有強度均勻、等間隔分立的且間隔可調(diào)節(jié)的譜線結(jié)構(gòu)，同時激光器可以鎖定于原子鐘，實現(xiàn)10^-11的穩(wěn)定度，是作為光譜儀高精度定標的理想定標燈。實際操作中定標燈和平場燈通常利用光纖耦合到光譜儀。如圖2(a)所示，定標燈或平場燈(5)可以通過光纖(6)在望遠鏡焦面(2)耦合到科學(xué)光纖(3)，稱為自參考定標方式；如圖2(b)所示，定標燈或平場燈(5)也可以通過光纖(6)直接耦合進入光譜儀(4)，叫做同步定標方式。待測星光則由望遠鏡焦面(2)耦合進入科學(xué)光纖(3)。由于入射光耦合進入光纖時，除了子午光線還有傾斜光線，這樣出射光斑能量分布通常來說不均勻，這種不均勻性會導(dǎo)致光譜儀譜線畸變，造成測量精度下降。

目前存在的均勻化激光能量分布的方法普遍存在能量利用率低或者使用上不方便，以激光為例。如專利CN202330967U，公開了一種激光補光勻化的激光照明裝置，采用運動的毛玻璃、多面棱鏡、篩孔等器件進行勻滑光強操作，存在能量利用率低，出射方向不易控制的問題。

專利CN203773167U，公開了一種半導(dǎo)體激光器照明模組的光斑勻化裝置，利用微透鏡陣列與毛玻璃結(jié)合，有效消除散斑同時達到勻滑能量分布的作用，但雙微透鏡陣列和毛玻璃的應(yīng)用，能量損耗大。

專利CN103837992B公開了一種光纖輸出激光均勻化消散斑的方法，將光纖輸出端利用HF腐蝕，形成粗糙界面，將激光廣角度無序輸出實現(xiàn)均勻化效果，但不利于后續(xù)光路耦合和光損耗較大。

專利CN103364956B公布了一種光纖輸出激光均勻化消散斑的方法及裝置，利用對光纖施加應(yīng)力同時高速震動的方式均勻光強，但其振動頻率高達50～200Hz，長時間使用時容易損壞光纖，同時光纖焦比退化存在波動，能量利用率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種提高激光輸出能量分布均勻性的裝置及方法，解決了光源輸出能量分布不均勻的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：

一種提高激光輸出能量分布均勻性的裝置及方法，包括：

光源(1)，用于產(chǎn)生入射光；

顯微物鏡(2)和透鏡(3)用于將入射光完成準直擴束；

變形鏡(4)在單幅圖像曝光時間內(nèi)以較高頻率隨機變形，均勻出射光能量分布；

透鏡(5)將平行光聚焦；

分束鏡(6)、擺鏡(7)和探測器(8)組成擺鏡系統(tǒng)，探測器(8)連續(xù)曝光，計算分析系統(tǒng)計算出每幅圖像質(zhì)心位置，同時控制擺鏡(7)擺動以保證每幅圖像質(zhì)心位置鎖定于指定像素；

光闌(9)和透鏡(10)配合形成滿足光纖入射焦比的光；

光纖(11)在長距離保持低光能損耗；

透鏡(12)將光纖(11)出射光轉(zhuǎn)化為平行光。

本發(fā)明的特征還在于，進一步的，光源可以是激光，同時也可采用空心陰極燈、鹵素?zé)?、星光和其他光源?/p>

進一步的，所述準直系統(tǒng)包括顯微物鏡(2)和透鏡(3)，同時實現(xiàn)擴束作用。

進一步的，所述變形鏡(4)在單幅圖像曝光時間內(nèi)做多次隨機變動，用于光斑能量分布的均勻化。