高功率实心光束与环形光束变换装置的制作方法

1.本发明涉及激光光束整形技术领域，尤其涉及一种高功率实心光束与环形光束变换装置。


背景技术：

2.近年来，环形光束在工业制造与国防安全等高功率激光领域中存在一定应用需求。随着激光系统的输出功率要求越来越高，在利用常规共轴透射镜组环形光束整形装置将实心光束转换为环形光束时，由于透射镜面的反射作用产生的杂散光难以控制，部分强杂散光会进入到高功率激光源内部，导致高功率激光源内部器件损坏等问题。
3.有鉴于此，有必要设计一种改进的高功率实心光束与环形光束变换装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高功率实心光束与环形光束变换装置。
5.为实现上述发明目的，本发明提供了一种高功率实心光束与环形光束变换装置，包括高功率激光源、设置于所述高功率激光源末端的具有杂散光处理功能的环形光束变换装置；
6.所述环形光束变换装置的内腔设有由楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥组成的楔形轴棱锥镜组及若干杂散光截止装置；所述楔形轴棱锥镜组与所述高功率激光源的光束出射方向倾斜设置。
7.优选的，所述楔形负轴棱锥与所述楔形正轴棱锥同轴设置，所述楔形负轴棱锥上靠近所述高功率激光源的一侧为第一左端面，所述第一左端面为带有一定楔角的平面。
8.优选的，所述楔形负轴棱锥上远离所述高功率激光源的一侧为第一右端面，所述第一右端面为凹圆锥面。
9.优选的，所述楔形正轴棱锥上靠近所述楔形负轴棱锥为第二左端面，所述楔形正轴棱锥上远离所述楔形负轴棱锥为第二右端面，所述第二左端面为与所述第一右端面的锥底角大小相同的凸圆锥面，所述第二右端面为与所述第一左端面楔角大小相同的平面。
10.优选的，所述第一杂散光截止装置设置于所述楔形负轴棱锥的后侧；所述第二杂散光截止装置设置于所述环形光束变换装置进光口的内壁处。
11.优选的，所述环形光束变换装置的内壁形成杂散光吸收装置，所述杂散光吸收装置为涂有消杂光漆的消杂光螺纹，所述楔形正轴棱锥的口径大于所述楔形负轴棱锥的口径。
12.进一步地，本发明还提供了所述的高功率实心光束与环形光束变换装置的使用方法，具体步骤如下：从所述高功率激光源射出的准直激光束进入到所述环形光束变换装置内，接着，所述准直激光束在所述楔形负轴棱锥的作用下变换为遮拦比持续变大的环形光束，然后，利用所述楔形正轴棱锥将所述环形光束变换为具有一定遮拦比k、光束出射方向
不变的准直环形光束。
13.优选的，所述遮拦比k的大小由所述楔形负轴棱锥和所述楔形正轴棱锥间的距离l和楔形轴棱锥的锥底角α以及楔形轴棱锥光学材料折射率n计算得到。
14.优选的，所述遮拦比k的具体计算方法如下：
15.其中，n为楔形轴棱锥材料的折射率，d为入射光束的口径。
16.优选的，所述轴棱锥镜组相对激光源光束出射方向倾角θ的具体计算方法如下：
17.sin(θ+β)＝n sinβ，其中，β为轴棱锥楔角。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明提供的高功率实心光束与环形光束变换装置，包括高功率激光源和设置于高功率激光源末端的具有杂散光处理功能的环形光束变换装置，环形光束变换装置内部设有由楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥组成的楔形轴棱锥镜组；通过设计楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥，使二者具有相同的楔形轴棱锥平面的楔角，并使楔形轴棱锥镜组整体相对激光源光束出射方向存在一定角度的倾斜，从而可利用楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥将高功率激光源射出的准直激光束变换具有一定遮拦比k的准直环形光束，且镜面反射杂散光不会沿光束入射方向返回激光源系统；通过调节楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥间的距离，可调整准直环形光束的遮拦比，从而实现调整光束性质的目的；通过在环形光束变换装置内的相应位置设置第一杂散光截止装置、第二杂散光截止装置及杂散光吸收装置，可对楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥的镜面反射产生的杂散光进行吸收和拦截，在保障输出光束为准直环形光束的同时有效实现了对环形光束变换装置系统内杂散光的控制，避免镜面反射杂光进入高功率激光源系统从而造成激光源系统内部器件损坏。
附图说明
20.图1为本发明提出的高功率实心光束与环形光束变换装置的结构示意图；
21.图2为实施例1中应用本发明的高功率实心光束与环形光束变换装置时得到的光束仿真图；
22.附图标记如下：
23.1、高功率激光源；2、楔形负轴棱锥；3、楔形正轴棱锥；4、第一杂散光截止装置；5、第二杂散光截止装置；6、杂散光吸收装置。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
25.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
26.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且
还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
27.请参阅图1所示，本发明提供了一种高功率实心光束与环形光束变换装置，包括高功率激光源1、设置于高功率激光源1末端的具有杂散光处理功能的环形光束变换装置，环形光束变换装置内腔设有由楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3组成的楔形轴棱锥镜组，楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3同轴设置，楔形轴棱锥镜组与来自高功率激光源1的光束出射方向存在一定角度的倾斜；环形光束变换装置内特定位置处设有若干杂散光截止装置，杂散光截止装置包括设置于楔形负轴棱锥2的后侧的第一杂散光截止装置4，设置于环形光束变换装置进光口的内壁处的第二杂散光截止装置5，第一杂散光截止装置4和第二杂散光截止装置5均为环形挡光板，本领域技术人员应当理解，在另一些实施例中，第一杂散光截止装置4的位置还可以根据需要进行调整，此处不以此为限；进一步地，环形光束变换装置的内壁形成杂散光吸收装置6，杂散光吸收装置6为涂有消杂光漆的消杂光螺纹，如此设置，可利用第一杂散光截止装置4和第二杂散光截止装置5有效对杂散光进行截止，并利用杂散光吸收装置6将剩余的杂散光进行吸收，有效避免镜面反射产生的杂散光进入高功率激光源1内部从而造成激光源系统内部器件损坏。
28.具体地，楔形正轴棱锥3的口径大于楔形负轴棱锥2的口径，楔形负轴棱锥2的第一左端面靠近高功率激光源1，第一左端面为带有一定楔角β1的平面，楔形正轴棱锥3上靠近楔形负轴棱锥2为第二左端面，第二左端面为凸圆锥面，第二左端面的锥底角α2与α1大小相等，楔形正轴棱锥3上远离楔形负轴棱锥2为第二右端面，第二右端面为具有一定楔角的平面，第二右端面的楔角β2与β1大小相等，在上述条件下，可利用楔形负轴棱锥2将高功率激光源1射出的准直激光束变换为遮拦比持续变大的环形光束，然后，利用楔形正轴棱锥3将环形光束变换为具有一定遮拦比k，且光束出射方向不变的准直环形光束。
29.进一步地，遮拦比k的大小由楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3间的距离l、楔形轴棱锥的锥底角α以及楔形轴棱锥光学材料的折射率n共同决定，其中，楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3间的距离l为楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3的锥角顶点连线的长度，l的数值可通过机械结构进行调节，出射环形光束遮拦比大小k与正负轴棱锥间距离l、楔形轴棱锥的锥底角α间的关系满足如下关系式：
[0030][0031]
其中，n为楔形轴棱锥材料的折射率，d为入射光束的口径；更进一步的，楔形轴棱锥楔角β与轴棱锥镜组相对激光源光束出射方向倾角θ的关系满足如下关系式：
[0032]
sin(θ+β)＝n sinβ
[0033]
此外，为保证楔形轴棱锥镜组反射杂散光能被系统内杂散光截止装置和杂散光吸收装置拦截或吸收，应满足如下关系式：
[0034][0035]
其中s为楔形负轴棱锥左端面到第二杂散光拦截装置的间距。
[0036]
当楔形轴棱锥楔角β与锥底角α满足上述条件时，可使出射光束为具有一定遮拦比
的准直环形光束，且楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3的透射面反射杂散光被第一杂散光截止装置4、第二杂散光截止装置5及杂散光吸收装置6吸收和拦截。
[0037]
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
[0038]
实施例1
[0039]
本实施例提出了一种高功率实心光束与环形光束变换装置，包括高功率激光源1、设置于高功率激光源1末端的具有杂散光处理功能的环形光束变换装置，环形光束变换装置的内部设有楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3，且楔形轴棱锥组与高功率激光源入射光束方向呈夹角；具体地，楔形负轴棱锥2的第一左端面为带有一定楔角的平面，第一右端面为凹圆锥面，楔形正轴棱锥3上靠近楔形负轴棱锥2为第二左端面，第二左端面为与第一右端面的锥底角大小相同的凸圆锥面，楔形正轴棱锥3上远离楔形负轴棱锥2为第二右端面，第二右端面为与第一左端面楔角大小相同的平面，且锥底角α＝7
°
，楔角β＝8
°
；特别地，楔形负轴棱锥2的后端设有第一杂散光截止装置4，环形光束变换装置进光口的内壁设有第二杂散光截止装置5，环形光束变换装置的内壁形成杂散光吸收装置6，杂散光吸收装置6为涂有消杂光漆的消杂光螺纹。
[0040]
应用上述高功率实心光束与环形光束变换装置对光束进行变换时按照如下步骤进行：从高功率激光源1射出的准直激光束进入到环形光束变换装置内，接着，准直激光束在楔形负轴棱锥2的作用下变换为遮拦比持续变大的环形光束，然后，利用楔形正轴棱锥3将环形光束变换为具有一定遮拦比k、光束出射方向不变的准直环形光束；
[0041]
其中，遮拦比k的大小由楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3锥角顶点间的距离l和楔形轴棱锥的锥底角α共同决定，楔形负轴棱锥2和楔形正轴棱锥3间的距离l＝344mm，出射环形光束遮拦比大小k与正负轴棱锥间距离l、楔形轴棱锥的锥底角α间的关系满足如下关系式：
[0042][0043]
其中，n为楔形轴棱锥材料的折射率，d为入射光束的口径，n＝1.45，d＝75mm；
[0044]
更进一步的，轴棱锥楔角β与轴棱锥镜组相对激光源光束出射方向倾角θ的关系满足如下关系式：
[0045]
sin(θ+β)＝n sinβ
[0046]
将l、n、d、α、β的具体数值带入到上述公式计算得到的遮拦比k＝0.33。
[0047]
综上所述，本发明提供的高功率实心光束与环形光束变换装置，包括高功率激光源和设置于高功率激光源末端的具有杂散光处理功能的环形光束变换装置，环形光束变换装置内部设有由楔形负轴棱锥和楔形正轴棱锥组成的楔形轴棱锥镜组，以及设置在环形光束变换装置内部的杂散光截止装置。通过设计具有相同楔角的楔形轴棱锥镜组，并使楔形轴棱锥镜组整体相对激光源光束出射方向倾斜设置，在保证输出光束为准直环形光束的同时避免镜面反射产生的杂散光进入前端激光源系统，同时，利用杂散光吸收装置和杂散光截止装置对上述过程产生的杂散光进行拦截和吸收，有效实现了输出准直环形光束的同时对环形光束变换装置系统内杂散光的控制，阻碍镜面反射杂散光进入高功率激光源系统而造成激光源系统内部器件损坏。本发明提供的高功率实心光束与环形光束变换装置具有结构简单、实用性强、操作简单，在高功率激光领域具有极高的使用价值。
[0048]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。