专利名称：一种激光光强分布的控制装置及方法
技术领域：
本发明属于激光光强分布控制技术领域，特别是涉及一种激光光强分布的控制装置及方法。
背景技术：
激光自1960年问世至今，得到了空前的发展，由于其亮度高、单色性好、准直和聚焦性能好，已在科学研究、军事国防、工业加工、天文观测和信息传播等领域得到的广泛的应用。在实际应用当中，激光的光强分布是限制激光应用的一个主要因素。例如在激光刻蚀加工领域，就需要得到光强分布尽量均勻的平顶光束以达到最理想的刻蚀效果；而在需要激光聚焦的情况下(如激光焊接、激光的光纤耦合)，就希望得到光强分布尽量接近高斯型的基模高斯光束，从而提高激光聚焦后的光强并降低激光在焦点处的束腰半径。因此， 对激光强度分布的控制有着十分重要和现实的意义。激光一般是由激光谐振腔产生，或经激光放大器进行放大后输出。理论上基模输出的激光光束的光强分布是高斯形的，但由于光学元器件引入的像差和非线性效应，实际应用中激光的强度分布并没有严格的特性和规律。现有的光强分布控制技术都是透射衰减式的，且在实际应用中会受到如激光光强、孔径等因素的限制。申请号为02820338.0的中国专利申请公开了一种薄膜半导体器件及其制造方法，是直接利用具有一定光强透过率分布的掩膜改变光束的强度分布并用于半导体器件的光刻，该方法需要探测激光的强度分布后，设计、加工出对应透过率分布的掩膜，从而实现对激光强度分布的控制，但由于需要曝光、显影、定影等工艺，掩膜的制造时间较长，使该方法对激光的光斑分布的控制的实时受到影响；另一方面，该方法实际上是对光强衰减的，将会是激光的功率受到损失；此外这种透射式掩膜的损伤阈值比较低，也限制了其应用于高功率激光。专利号为01256697. 7的中国专利公开了一种液晶光阀激光束空间整形装置，提到利用液晶光阀对激光的光强分布进行控制，但该方法同样也是只能通过衰减实现对激光光强分布的控制，无法解决激光损失和损伤问题。此外还有人提出过利用可变形反射镜控制激光位相分布的方法来改变激光的强度分布，其物理原理与二元光学类似，只是将控制位相的光学元件换成了可变形反射镜。但由于激光光束在自由空间传播时强度与位相之间的相互作用关系是非线性的，以及实际操作中变形反射镜可以提供的位相补偿能力受到工艺的限制，因此通过这种方法很难实现对任意光强分布的控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是现有技术改变激光光强分布的只能通过衰减实现， 无法解决激光损失和损伤问题，因此很难应用于高功率、高能量的激光光束。
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( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光光强分布的控制装置。其中，所述装置包括增益介质、泵浦源、光学元件、图形发生器和控制器，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。优选地，所述光学元件包括液晶光阀和反射镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有液晶光阀和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接。优选地，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。本发明还提供了第二种激光光强分布的控制装置，包括增益介质、泵浦源、图形发生器和控制器，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源的输出光强分布，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制泵浦光的光强分布以改变增益介质内的增益分布，从而使得经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。本发明还提供了一种激光光强分布的控制方法，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述图形发生器与控制器相连接， 用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。优选地，所述光学元件包括液晶光阀时，所述控制器与液晶光阀相连接，所述控制器施加给液晶光阀的电压在U1(^y)容限范围内，从而使得泵浦光在Ip(x，y)容限范围内， 其中，如
权利要求
1.一种激光光强分布的控制装置，其特征在于，包括增益介质、泵浦源、光学元件、图形发生器和控制器，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件包括液晶光阀和反射镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有液晶光阀和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜， 在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，所述控制器与变形镜相连接。
4.一种激光光强分布的控制装置，其特征在于，包括增益介质、泵浦源、图形发生器和控制器，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源的输出光强分布，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制泵浦光的光强分布以改变增益介质内的增益分布，从而使得经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。
5.一种激光光强分布的控制方法，其特征在于，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光学元件包括液晶光阀时，所述控制器与液晶光阀相连接，所述控制器施加给液晶光阀的电压在U1 (x, y)容限范围内，从而使得泵浦光在Ip(x，y)容限范围内，其中，式中，C1为液晶光阀的透过率-电压系数，Ii(x, y)为入射激光光强分布，I0(x, y)为_hcahe预设的激光光强分布，Iptl(x，y)为激光的原始输出光强，& = ^2A(Z-I)λ ！为激光波长，λ ρ为泵浦光的波长，h为普朗克常量，c为光速，O 21为增益介质的受激发射截面，Tf为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度，e为欧拉系数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设的激光光强分布I。(x，y)为高斯型，且入射激光的光强分布IiU, y) =Atl时，控制器施加给液晶光阀的电压值为U1U, y)， 从而使得泵浦光值为Ip(x，y)。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜时，所述控制器与变形镜相连接，所述控制器施加给变形镜的电压在U容限范围内，从而使得控制器调节变形镜使其对泵浦光引入的位相分布在△ Φ (χ, y)容限范围内，其中，
9.一种激光光强分布的控制方法，其特征在于，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述泵浦光由与控制器相连的泵浦源发出，所述控制器与图形发生器相连接，接收预设的激光光强分布，并控制泵浦光的光强分布，以改变增益介质内的增益分布，从而使得经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述泵浦源为可寻址半导体激光器阵列， 所述控制器施加给泵浦源的电流在i(x，y)容限范围内，从而使得泵浦光在Ip(x，y)容限范围内，其中，
全文摘要
一种激光光强分布的控制装置及方法，所述装置包括增益介质、泵浦源、光学元件、图形发生器和控制器，在激光的光路上设有接收到泵浦光的增益介质，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述图形发生器与控制器相连接，用于将预设的激光光强分布发送至控制器，由控制器来控制经过光学元件的泵浦光的光强分布，使增益介质内产生空间调制的增益分布，以实现使经过增益介质的激光与预设的激光光强分布相匹配。本发明有效实现对任意激光光强分布的实时控制，由于控制过程不存在对激光的衰减，且增益分布会将激光的光强放大，因此很容易实现对高功率激光光束的光强分布控制。
文档编号H01S3/102GK102570274SQ20121003578
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者刘欢, 巩马理, 张海涛, 柳强, 邱运涛, 闫平, 黄磊 申请人:清华大学