专利名称：旋转式多模激光束变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制来自独立光源光的强度，特别是用于改善多模激光束光束质量的旋转式多模激光束变换器。
大功率激光器的输出光束大多为多模光束。多模光束的光束质量差，发散角大，光强分布不均匀，对实际应用带来很多限制。如目前工业上用的横流CO2激光器主要用于热处理，不能用于切割和焊接。要获得基模或近基模光束输出，目前主要采用两种办法，一是在腔内加限模光阑，二是采用折叠腔，但这两个方法都将大幅度降低输出功率。
本发明的目的是提供一种能将多模激光束变换成光强分布接近于基模光束，或某种特定光强分布的特殊光束，同时功率损耗较少的旋转式多模激光束变换器。
本发明提供的旋转式多模激光束变换器，由镜片和传送旋转运动的传动装置构成，镜片安装在传送旋转运动的传动装置上。所述镜片既可做成透射式，也可做成反射式。透射式镜片的一面或两面、反射式镜片的反射面上具有由一定分布的位相变化单元区组成的图案。所述镜片上的位相变化单元区的形状、厚度和大小尺寸根据不同的激光束和变换要求而定。形状可为圆形、椭圆形、方形、矩形、十字形等，或几种图形的组合；厚度d满足0＜d＜10λ；λ为所处理光的波长；单元的线度尺寸L满足0＜L＜D；D为入射到镜片上的光斑尺寸。所述传动装置可为机械齿轮传动、摩擦传动等，转速可为每秒钟1到200转。本发明提供的旋转式多模激光束变换器，一般置于激光谐振腔外，需要时也可置于谐振腔内。
本发明所提供的光束变换器，根据各种类型的激光器的具体要求，所述镜片的制作方法可采用将透射光谱或反射光谱满足相应激光波长的电介质材料、金属材料或半导体材料在基片上进行套镀、光刻、离子刻、沉积、腐蚀，或直接金加工的一种方法或几种方法相结合制作，形成由一定分布的位相变化单元区组成的图案。
本发明的光束变换器的原理是部分相干光的空间频率域理论。根据该理论，光束的空间光强分布与光束的相干性具有密切的联系，多模光束属于部分相干光，其交叉谱密度可看成一系列完全相干模的叠加。通过旋转位相片可以改变组成多模光束的各个相干模的位相分布，将多模激光器的输出模式均匀化，使之变换成光强分布接近基模高斯光束或其它某种光强分布，从而达到改善光束质量的目的。
本发明的光束变换器适合于各种类型的激光器。由于该旋转式多模激光束变换器可以置于激光谐振腔外，不会改变原来激光器的工作状态，只要在需要时插入光路即可。对某些增益大的激光器，也可把光束变换器置于谐振腔内。通过改变旋转位相片的单元结构，可以获得各种所需的光强分布，以满足材料切割、打孔、材料焊接、热处理等各种要求。由于镜片是位相型的，在原理上不会引起功率损耗，在制作上则可以通过镀增透膜或增反膜的办法降低功率损耗。所以本发明提供的激光反射镜适应性强、应用面宽，而且不会明显降低输出功率。
图1(a)、(b)为本发明旋转式多模激光束变换器的结构示意图，(a)为直接带动旋转式，(b)为套筒旋转式，1为镜片，2为传送旋转运动的传动装置，3为位相变化单元区，4为齿轮，5为安装镜片的套筒。
图2(a)、(b)、(c)为镜片上的由位相变化单元区组成的图案结构示意图，(a)、(b)为随机分布图案，(c)为放射状分布图案，1为镜片，3为位相变化单元区。
以下结合附图对本发明的实施例作详细描述。
实施例1参见附图1(a)和附图2(a)，本实施例提供的光束变换器由镜片和传送旋转运动的传动装置组成，镜片直接安装在传动装置的转轴上，1为反射式镜片，2为传动装置，3为镜片上的位相变化单元区。每个位相变化单元均为1×3毫米的长方形，厚度为λ/2，其中λ为波长。镜片可采用镀膜的方法制备而成。本实施例提供的光束变换器可用作方形多模激光束的均匀化变换。
实施例2参见附图1(b)和附图2(b)，本实施例提供的光束变换器由镜片和传送旋转运动的传动装置组成，1为透射式镜片，2为传动装置，3为镜片两面的位相变化单元区，4为齿轮，5为安装镜片的套筒。每个位相变化单元均为直径为2毫米的圆形，厚度为3λ/2，其中λ为波长。镜片可采用镀膜的方法制备而成。本实施例提供的光束变换器可用作圆形多模激光束的均匀化变换。
实施例3参见附图1(a)和附图2(c)，本实施例提供的光束变换器由镜片和传送旋转运动的传动装置构成，1为反射式镜片，2为传动装置，3为镜片反射面上的放射状位相变化单元区。每个位相变化单元的厚度为λ/2，其中λ为波长。位相变化单元区可采用镀膜的方法制备而成。本实施例提供的光束变换器可用作高功率CO2激光器输出的多模激光束的均匀化变换。
权利要求1．一种旋转式多模激光束变换器，其特征是由镜片(1)和传送旋转运动的传动装置(2)构成，所述镜片的一面或二面上具有一定分布的位相变化单元区(3)组成的图案，所述镜片(1)安装在传送旋转运动的传动装置(2)上。
2．根据权利要求1所述的旋转式多模激光束变换器，其特征是所述镜片上的位相变化单元区为圆形、椭圆形、方形、矩形、十字形等各种规则形状或几种形状的组合，或无规则形状。
3．根据权利要求1所述的旋转式多模激光束变换器，其特征是所述镜片上的位相变化单元区的厚度d满足0＜d＜10λ；λ为所处理光的波长。
4．根据权利要求1所述的旋转式多模激光束变换器，其特征是所述镜片上的位相变化单元区的线度尺寸L满足0＜L＜D；D为入射到镜片上的光斑直径。
5．根据权利要求1所述的旋转式多模激光束变换器，其特征是所述镜片安装在传动装置的转轴上。
6．根据权利要求1所述的旋转式多模激光束变换器，其特征是所述镜片安装在一个套筒(5)内，安装在由齿轮(4)组成的传动装置上。
专利摘要一种旋转式多模激光束变换器,由镜片(1)和传送旋转运动的传动装置(2)构成,所述镜片的一面或二面上具有一定分布的位相变化单元区(3)组成的图案,每个单元区的形状、厚度和大小尺寸根据不同的激光器而定。所述镜片(1)安装在传动装置(2)上。该旋转式多模激光束变换器可以置于激光谐振腔外或谐振腔内的任意位置。利用该旋转式多模激光束变换器可以将多模激光器的输出模式均匀化,从而改善光束质量,适合于各种类型的激光器。
文档编号H01S3/10GK2327099SQ9722945
公开日1999年6月30日 申请日期1997年10月31日 优先权日1997年10月31日
发明者林强, 朱精敏, 江晓清, 陆璇辉, 王绍民 申请人:杭州大学