一维光束整形系统仿真及实验技术研究

张宇碟，王 刚，王文涛，于 铭，王 超，唐晓军

(1．华北光电技术研究所，北京100015;2．固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

光束的整形技术是将输入平面上光束的复振幅分布经光学系统调制后，变换为输出平面上符合要求的光束复振幅分布的过程［1］。通常以MOPA结构为主的板条激光器中近场光斑形态为矩形，为了更好的放大种子光，必须把MOPA结构前的种子光整形为长矩形。

光束整形系统的设计以及光束整形精密调整技术是以MOPA结构为主的高功率板条激光器的核心技术之一，其作用是对光束一维方向扩束，保持另外一维方向不变将圆形光斑拉伸为矩形光斑。光束的整形方法非常多，有长焦深整形元件法、双折射透镜组法、液晶空间光调制器法、阵列光学元件法、非球面透镜法以及衍射光学元件法等。相对比而言，非球面透镜组的方法结构简单、加工比较容易，可以将准直的高斯光束整形成平顶光束，而且适用波长范围也非常广，从红外到紫外波段。将圆形光斑整形为理想的矩形光斑是MOPA结构的板条激光器高效耦合和放大的前提保证。理论上讲，理想的矩形光斑在静态下通过板条能够达到100%的透过率。本文根据现有的光束整形理论基础［2－4］，对光学整形系统进行仿真，光斑由光纤激光器出射的圆形光斑拉伸为矩形光斑，整形方向扩束倍率为12。利用CCD观察法、根据光斑图像形态精确的调整光束整形系统［5－6］，通过该方法能够得到接近理想的近场长椭圆形光斑。

2 一维扩束整形系统结构及仿真

2．1 扩束系统结构的选择

折射型扩束系统一般分为两种基本结构，即开普勒型扩束器和伽利略型扩束器，如图1所示。其中，图1(a)中前组透镜的后焦点F1'与后组透镜的前焦点F2重合;图1(b)中前组透镜的前焦点F1与后组透镜的前焦点F2相重合。

实际情况下，由于伽利略结构扩束器比开普勒结构扩束器外形尺寸小，并且第一片目镜为负透镜，使得光束发散，能有效避免高功率激光束会聚而产生空气击穿导致的光学透镜的损伤［7－9］。一般情况下，扩束系统倍率低于20倍的都采用伽利略型结构来设计。此外，光学系统中引入非球面镜可有效提高像质并减少透镜数量［10－11］，且非球面的伽利略型扩束系统加工技术已较成熟。本文所用的一维扩束整形系统子系统采用的是伽利略型结构，并且在此基础上引入了第三片镜片以达到消像差效果。

图1 折射型扩束器基本结构

2．2 系统结构参数及非球面系数的求解

根据光学系统三级像差理论和光学扩束系统的特性［12］，系统的2个透镜都采用球差极小值公式:

对于第1个负透镜，物距为无穷远。故W∞=W0，代入式(2)，可求得透镜曲率半径Q0+1，c2=Q0+1;对于第2个正透镜，l=f'，所－1，代入式(1)和式(2)，求出其2个面的曲率半径。最后进行焦距缩放和透镜加厚［10］，确定系统各个面的半径、透镜厚度和光学间隔d。

扩束系统的球差系数为:

式中，h为各个面入射的高度;h4为非球面面上的高度。且有:

按照式(1)和式(2)求出透镜各个面的曲率，然后进行相应的焦距缩放以及透镜加厚，得出结构参数(r，d，n)，再进行光线追迹，计算出边缘光线在每个面上的入射角u，出射孔径角u'和各个面的h，代入式(4)，求出每个面的p值，代入式(5)即可以求出系统非球面偏心率e2。

2．3 系统仿真

一维扩束整形系统以伽利略型扩束器为基础，能够用于高功率板条激光系统。该系统使用三片非球面镜对光斑竖直方向扩了12倍。通过上述扩束系统的

式中，R4为非球面顶点曲率半径;e2为二次曲面的偏心率。要求该扩束系统球差矫正为零［12－13］，则必须满足S1=0。利用式(3)和式(4)，得出:理论计算，考虑到两透镜扩束整形引入的像差，软件仿真引入另一面消像差镜片，得到结构如图2所示。

图2 一维扩束整形系统结构示意图

通过CODE V软件仿真得出的系统近场、远场光斑强度如图3所示。

图3 仿真光斑图

为了使经过扩束系统后的光束波前不被破坏，对光学系统消像差设计要求较高，通常按小像差系统来评价，波像差小于λ/4(λ=1064 nm)。通过软件分析所得竖直方向视场0 mrad、0．5 mrad的波像差和系统MTF传递函数分别如表1和图4所示。

表1 竖直方向各个视场波像差值

图4 光学传递函数图

3 实验分析

3．1 实验装置

图5为光纤种子光实验装置示意图，单频光纤激光器，波长为1064 nm，光束整形系统分别由A1、A2、A3三片透镜组合而成，其中A1为负透镜，A2、A3为正透镜。

图5 光纤种子光实验装置示意图

图6 为He－Ne光实验装置示意图，He－Ne光光源为He－Ne管平行光光源(波长632．8 nm，红光)。为了截取准直后2 mm宽的光源，在光束整形系统前加直径为2 mm的圆孔。

图6 He－Ne光装置示意图

3．2 光束整形实验

3．2．1 He－Ne光束整形实验

按照图6所示，调节实验光路，光路中的透镜尽量选择长焦透镜，由于，物距l一定，焦距f越大，像距l'越大，在CCD靶面上所呈的像越大。为了实验操作方便，建议尽量选长焦透镜。光束整形系统调节过程中，如图7(a)所示，远场光斑中心上下强度分布不均匀，且上下弥散斑分布不对称;图7(b)所示，远场光斑中心上下强度分布不均匀，且存在严重的衍射现象;图7(c)所示，远场光斑存在一定的小孔衍射现象，光强分布比较均匀，可以认为是经过扩束系统后理想的远场光斑。

图7 远场光斑图

对于如图7(a)所示的远场光斑，可以通过调节扩束整形系统的高低，已达到He－Ne光中心高和扩束整形系统中心高等高，从而消除由于不同轴引起的像差;对于如图7(b)所示的远场光斑，可以通过微调光束整形系统之间的间距，从而减小由于不同镜片之间的间距而引入的离焦。

调节好光束整形系统后，通过四波剪切干涉仪测得He－Ne光(λ =632．8 nm，通过光阑截取2×28 mm光斑)及扩束后He－Ne光(2 mm圆光斑扩束为2×28 mm光斑)波前如图8所示。

图8 扩束前后的He－Ne的光波前

He－Ne光及扩束后He－Ne光波前数据如表2所示。

表2 He－Ne光及扩束后He－Ne光波前

3．2．2 光纤激光器整形实验

按图5所示光路图，调好100 W光纤激光器。图9为实验过程中单频光纤激光器扩束前后远场光斑图。

图9 远场光斑

实验装置调好后，通过利用4波剪切干涉仪测量扩束整形后波前以及垂直方向扩束引入的波像差，实验结果如图10及表3所示。

图10 光纤激光器整形后波前

表3 垂直方向整形引入波像差值

4 结论

一维扩束整形系统是高功率板条激光放大器的重要组成之一，理想的近场光斑是板条激光器耦合与放大的前提保障。通过上述实验数据与分析可以得出:调节一维扩束整形系统时，观察远场光斑上下弥散斑分布，可以确定系统中心高与光斑的中心高是否一致;观察远场光斑中心上下强度分布是否均匀，可以确定一维扩束整形系统是否存在离轴以及偏心。

基于CODE V软件对一维光束整形系统进行仿真，系统扩束整形方向成像光束质量接近衍射极限，视场为 0．5 mrad 时，P － V=0．105λ ，RMS=0．011λ(λ=1064 nm)，另一方向波像差小于λ/4。利用四波剪切干涉仪测量出He－Ne光以及光纤激光器整形后波前，P－V值变化小于λ/4，RMS变化小于0．05λ，实验结果与仿真结果基本符合。

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