一維光束整形系統(tǒng)仿真及實驗技術(shù)研究

張宇碟，王 剛，王文濤，于 銘，王 超，唐曉軍

(1．華北光電技術(shù)研究所，北京100015;2．固體激光技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京100015)

1 引言

光束的整形技術(shù)是將輸入平面上光束的復(fù)振幅分布經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制后，變換為輸出平面上符合要求的光束復(fù)振幅分布的過程［1］。通常以MOPA結(jié)構(gòu)為主的板條激光器中近場光斑形態(tài)為矩形，為了更好的放大種子光，必須把MOPA結(jié)構(gòu)前的種子光整形為長矩形。

光束整形系統(tǒng)的設(shè)計以及光束整形精密調(diào)整技術(shù)是以MOPA結(jié)構(gòu)為主的高功率板條激光器的核心技術(shù)之一，其作用是對光束一維方向擴(kuò)束，保持另外一維方向不變將圓形光斑拉伸為矩形光斑。光束的整形方法非常多，有長焦深整形元件法、雙折射透鏡組法、液晶空間光調(diào)制器法、陣列光學(xué)元件法、非球面透鏡法以及衍射光學(xué)元件法等。相對比而言，非球面透鏡組的方法結(jié)構(gòu)簡單、加工比較容易，可以將準(zhǔn)直的高斯光束整形成平頂光束，而且適用波長范圍也非常廣，從紅外到紫外波段。將圓形光斑整形為理想的矩形光斑是MOPA結(jié)構(gòu)的板條激光器高效耦合和放大的前提保證。理論上講，理想的矩形光斑在靜態(tài)下通過板條能夠達(dá)到100%的透過率。本文根據(jù)現(xiàn)有的光束整形理論基礎(chǔ)［2－4］，對光學(xué)整形系統(tǒng)進(jìn)行仿真，光斑由光纖激光器出射的圓形光斑拉伸為矩形光斑，整形方向擴(kuò)束倍率為12。利用CCD觀察法、根據(jù)光斑圖像形態(tài)精確的調(diào)整光束整形系統(tǒng)［5－6］，通過該方法能夠得到接近理想的近場長橢圓形光斑。

2 一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及仿真

2．1 擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇

折射型擴(kuò)束系統(tǒng)一般分為兩種基本結(jié)構(gòu)，即開普勒型擴(kuò)束器和伽利略型擴(kuò)束器，如圖1所示。其中，圖1(a)中前組透鏡的后焦點(diǎn)F1'與后組透鏡的前焦點(diǎn)F2重合;圖1(b)中前組透鏡的前焦點(diǎn)F1與后組透鏡的前焦點(diǎn)F2相重合。

實際情況下，由于伽利略結(jié)構(gòu)擴(kuò)束器比開普勒結(jié)構(gòu)擴(kuò)束器外形尺寸小，并且第一片目鏡為負(fù)透鏡，使得光束發(fā)散，能有效避免高功率激光束會聚而產(chǎn)生空氣擊穿導(dǎo)致的光學(xué)透鏡的損傷［7－9］。一般情況下，擴(kuò)束系統(tǒng)倍率低于20倍的都采用伽利略型結(jié)構(gòu)來設(shè)計。此外，光學(xué)系統(tǒng)中引入非球面鏡可有效提高像質(zhì)并減少透鏡數(shù)量［10－11］，且非球面的伽利略型擴(kuò)束系統(tǒng)加工技術(shù)已較成熟。本文所用的一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)子系統(tǒng)采用的是伽利略型結(jié)構(gòu)，并且在此基礎(chǔ)上引入了第三片鏡片以達(dá)到消像差效果。

圖1 折射型擴(kuò)束器基本結(jié)構(gòu)

2．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及非球面系數(shù)的求解

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)三級像差理論和光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)的特性［12］，系統(tǒng)的2個透鏡都采用球差極小值公式:

對于第1個負(fù)透鏡，物距為無窮遠(yuǎn)。故W∞=W0，代入式(2)，可求得透鏡曲率半徑Q0+1，c2=Q0+1;對于第2個正透鏡，l=f'，所－1，代入式(1)和式(2)，求出其2個面的曲率半徑。最后進(jìn)行焦距縮放和透鏡加厚［10］，確定系統(tǒng)各個面的半徑、透鏡厚度和光學(xué)間隔d。

擴(kuò)束系統(tǒng)的球差系數(shù)為:

式中，h為各個面入射的高度;h4為非球面面上的高度。且有:

按照式(1)和式(2)求出透鏡各個面的曲率，然后進(jìn)行相應(yīng)的焦距縮放以及透鏡加厚，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)(r，d，n)，再進(jìn)行光線追跡，計算出邊緣光線在每個面上的入射角u，出射孔徑角u'和各個面的h，代入式(4)，求出每個面的p值，代入式(5)即可以求出系統(tǒng)非球面偏心率e2。

2．3 系統(tǒng)仿真

一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)以伽利略型擴(kuò)束器為基礎(chǔ)，能夠用于高功率板條激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用三片非球面鏡對光斑豎直方向擴(kuò)了12倍。通過上述擴(kuò)束系統(tǒng)的

式中，R4為非球面頂點(diǎn)曲率半徑;e2為二次曲面的偏心率。要求該擴(kuò)束系統(tǒng)球差矯正為零［12－13］，則必須滿足S1=0。利用式(3)和式(4)，得出:理論計算，考慮到兩透鏡擴(kuò)束整形引入的像差，軟件仿真引入另一面消像差鏡片，得到結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過CODE V軟件仿真得出的系統(tǒng)近場、遠(yuǎn)場光斑強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 仿真光斑圖

為了使經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)后的光束波前不被破壞，對光學(xué)系統(tǒng)消像差設(shè)計要求較高，通常按小像差系統(tǒng)來評價，波像差小于λ/4(λ=1064 nm)。通過軟件分析所得豎直方向視場0 mrad、0．5 mrad的波像差和系統(tǒng)MTF傳遞函數(shù)分別如表1和圖4所示。

表1 豎直方向各個視場波像差值

圖4 光學(xué)傳遞函數(shù)圖

3 實驗分析

3．1 實驗裝置

圖5為光纖種子光實驗裝置示意圖，單頻光纖激光器，波長為1064 nm，光束整形系統(tǒng)分別由A1、A2、A3三片透鏡組合而成，其中A1為負(fù)透鏡，A2、A3為正透鏡。

圖5 光纖種子光實驗裝置示意圖

圖6 為He－Ne光實驗裝置示意圖，He－Ne光光源為He－Ne管平行光光源(波長632．8 nm，紅光)。為了截取準(zhǔn)直后2 mm寬的光源，在光束整形系統(tǒng)前加直徑為2 mm的圓孔。

圖6 He－Ne光裝置示意圖

3．2 光束整形實驗

3．2．1 He－Ne光束整形實驗

按照圖6所示，調(diào)節(jié)實驗光路，光路中的透鏡盡量選擇長焦透鏡，由于，物距l(xiāng)一定，焦距f越大，像距l(xiāng)'越大，在CCD靶面上所呈的像越大。為了實驗操作方便，建議盡量選長焦透鏡。光束整形系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，如圖7(a)所示，遠(yuǎn)場光斑中心上下強(qiáng)度分布不均勻，且上下彌散斑分布不對稱;圖7(b)所示，遠(yuǎn)場光斑中心上下強(qiáng)度分布不均勻，且存在嚴(yán)重的衍射現(xiàn)象;圖7(c)所示，遠(yuǎn)場光斑存在一定的小孔衍射現(xiàn)象，光強(qiáng)分布比較均勻，可以認(rèn)為是經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)后理想的遠(yuǎn)場光斑。

圖7 遠(yuǎn)場光斑圖

對于如圖7(a)所示的遠(yuǎn)場光斑，可以通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束整形系統(tǒng)的高低，已達(dá)到He－Ne光中心高和擴(kuò)束整形系統(tǒng)中心高等高，從而消除由于不同軸引起的像差;對于如圖7(b)所示的遠(yuǎn)場光斑，可以通過微調(diào)光束整形系統(tǒng)之間的間距，從而減小由于不同鏡片之間的間距而引入的離焦。

調(diào)節(jié)好光束整形系統(tǒng)后，通過四波剪切干涉儀測得He－Ne光(λ =632．8 nm，通過光闌截取2×28 mm光斑)及擴(kuò)束后He－Ne光(2 mm圓光斑擴(kuò)束為2×28 mm光斑)波前如圖8所示。

圖8 擴(kuò)束前后的He－Ne的光波前

He－Ne光及擴(kuò)束后He－Ne光波前數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 He－Ne光及擴(kuò)束后He－Ne光波前

3．2．2 光纖激光器整形實驗

按圖5所示光路圖，調(diào)好100 W光纖激光器。圖9為實驗過程中單頻光纖激光器擴(kuò)束前后遠(yuǎn)場光斑圖。

圖9 遠(yuǎn)場光斑

實驗裝置調(diào)好后，通過利用4波剪切干涉儀測量擴(kuò)束整形后波前以及垂直方向擴(kuò)束引入的波像差，實驗結(jié)果如圖10及表3所示。

圖10 光纖激光器整形后波前

表3 垂直方向整形引入波像差值

4 結(jié)論

一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)是高功率板條激光放大器的重要組成之一，理想的近場光斑是板條激光器耦合與放大的前提保障。通過上述實驗數(shù)據(jù)與分析可以得出:調(diào)節(jié)一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)時，觀察遠(yuǎn)場光斑上下彌散斑分布，可以確定系統(tǒng)中心高與光斑的中心高是否一致;觀察遠(yuǎn)場光斑中心上下強(qiáng)度分布是否均勻，可以確定一維擴(kuò)束整形系統(tǒng)是否存在離軸以及偏心。

基于CODE V軟件對一維光束整形系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)擴(kuò)束整形方向成像光束質(zhì)量接近衍射極限，視場為 0．5 mrad 時，P － V=0．105λ ，RMS=0．011λ(λ=1064 nm)，另一方向波像差小于λ/4。利用四波剪切干涉儀測量出He－Ne光以及光纖激光器整形后波前，P－V值變化小于λ/4，RMS變化小于0．05λ，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本符合。

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