基于雙軸錐鏡的環形激光束整形

任 駒，李四川,李 航，陳培鋒，夏惠軍，周桂勇，彭 杰

(1.西南技術物理研究所，成都 610041；2.中國人民解放軍 駐209所軍事代表室， 成都 610041; 3.華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074)

基于雙軸錐鏡的環形激光束整形

任 駒1，李四川2,李 航3，陳培鋒3，夏惠軍1，周桂勇1，彭 杰1

(1.西南技術物理研究所，成都 610041；2.中國人民解放軍 駐209所軍事代表室， 成都 610041; 3.華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074)

為了改善非穩腔高能激光系統的光束質量，提高發射光學系統口徑的利用率，采用新型的可用于光學非穩腔輸出環形光束的光學整形方法，通過在激光腔外的光路上增加光學元件對輸出的環形激光束進行了整形變換。在理論分析的基礎上，設計并加工了基于雙軸錐鏡的光束整形裝置，針對非穩腔高能激光器輸出的環形光束進行了整形實驗，取得了與理論分析一致的數據。結果表明，采用雙軸錐鏡裝置整形后的光束比原始光束具有更好的光束質量，光束束腰直徑由45mm減小為32mm，光束質量因子M2由14減小到11.8。該方法用于光學非穩腔輸出環形光束整形變換具有可行性。

激光光學；環形光束；光束整形；軸錐鏡

引 言

獲得高功率、高光束質量的激光光束一直是激光領域探索的熱點。光學非穩腔憑借其高的橫模鑒別能力、可控的衍射輸出耦合和大的模體積等優勢，成為激光研究中獲得高功率高光束質量激光光束的首選腔型[1-3]。但由于常規非穩腔輸出光束通常為環形，光束的遠場特性較差，聚焦后焦斑能量由中心向外逐步擴散，中心點的能量密度較低；另外，由于環形光束的遮攔比問題，相比同樣功率(能量)密度的實心光束，需要更大口徑的光學系統，增加了強激光系統中跟瞄、發射系統的制造成本及結構重量。這些缺陷嚴重限制了非穩腔激光器的實際推廣應用。

為解決傳統光學非穩腔環形光束輸出帶來的問題，國內外研究者提出了許多解決方案。ZUCKER等人[4]提出徑向可變反射率非穩腔，采用逐步透射的輸出方式消除“硬邊”效應以達到基模運轉。KUPRENYUK等人[5]提出了90°束轉動激光器的概念。MINEEV等人[6]采用平板波導非穩腔改善光束質量。LUO等人[7-8]采用內外圓錐面反射鏡相結合的方式設計了針對多模橫流CO2激光器的環形光束整形系統。這些方案雖然解決了傳統共焦腔環形輸出的問題，但同時也引入了新的問題，如加工困難、調節復雜、功率低等限制因素[9]。

針對以上方案存在的問題及當前激光系統大口徑、大能量的特點，結合近期一些新型的光束整形技術[10-11]，在綜合考慮加工和裝配可行性的基礎上，設計了一種可以裝配于激光腔外的基于雙軸錐鏡的透射式環形光束整形裝置。

1 原 理

軸錐鏡是一種很重要的光學器件，在各種需要特殊光束的領域具有重要的應用[12-20]。雙軸錐鏡環形光束整形裝置由兩個軸錐鏡組成，如圖1所示。兩個軸錐鏡具有相同的錐頂角，其錐頂相對且同軸裝配。由圖1可以看出，垂直于軸錐鏡底面入射的光線分別經兩個軸錐鏡折射后，光線的出射方向與入射方向一致,即該整形裝置不改變光線的傳輸方向，而是將入射光線沿徑向平移，使光束在保持傳播方向不改變的前提下靠近光軸，將環形空心激光束轉變為近似實心的激光束。對于沿光軸方向入射的平行平面波，該裝置具有等光程特性，即輸出光束仍舊為平面波。兩軸錐鏡之間的距離可以調節用以改變輸出光束的直徑。

Fig.1 Schematic diagram of annular laser beam reshaping based on dual axicons

對于沿光軸方向入射的平行平面波，設入射環形光束的內環半徑為ri,1，外環半徑為ri,2，經雙軸錐鏡整形后出射環形光束的內環半徑為ro,1，外環半徑為ro,2。在入射光束中取一半徑為ri、厚度為dri的環形微元光束，對應的出射環形微元光束半徑為ro，厚度為dro。由圖1的幾何關系可以得到：

設入射光束為均勻分布的軸對稱環形光束，其振幅為E0，則半徑ri對應的入射面光場相對分布為Ei(ri)：

設出射光場分布為Eo(ro)，忽略雙軸錐鏡對光的衰減，根據能量守恒原則，有：

根據(1)式～(4)式可得：

圖2描述了平頂環形光束經雙軸錐鏡裝置變換前后的光場分布。由圖中可以看出，在ro,2

Fig.2 Beam field distribution of flat annular beams before and after shaping by dual axicons

實際的非穩腔激光束并非平面波，但在靠近束腰處，瑞利長度范圍內，其波面可近似為平面。雙軸錐鏡整形裝置的長度遠小于激光器出射光的瑞利長度，因此，在理論分析時，可以將其光束作為平面波處理。

2 實 驗

為了驗證雙軸錐鏡對環形激光束的整形效果，利用自行加工裝配的雙軸錐鏡光束整形裝置進行了實驗。兩個軸錐鏡由K9玻璃加工而成，口徑60mm，錐角120°，表面鍍1.06μm增透膜。兩個軸錐鏡錐尖相對裝配在一個鋁合金鏡筒中保持同軸，其間距可根據光束整形需求進行調節。系統有效通光口徑為56mm。

實驗光路如圖3所示。所采用的激光器為非穩腔高能激光器。激光器輸出的環形光束經光楔兩次反射衰減至較低的能量，經雙軸錐鏡裝置整形后輸出，照射到反射屏上形成光斑。在雙軸錐鏡裝置后方加入透鏡可以將光束聚焦至反射屏上形成會聚光斑。透鏡焦距為5m。采用Spiricon的SP620U光束分析儀對經過雙軸錐鏡裝置整形的激光束進行分析。光束分析儀采集反射屏上的光斑，測量光斑參量。

Fig.3 Schematic diagram of beam reshaping experiment

實驗結果如圖4和圖5所示。圖4為沒有加入透鏡時，激光器在不同放電電壓下，輸出的光束經過雙軸錐鏡裝置整形前后的光斑分布。圖4a和圖4b為沒有經過整形的原始激光束光斑分布；圖4c和圖4d為經過雙軸錐鏡裝置整形的激光束光斑分布。由圖中可以看出，經過整形后，光斑中心空心區域減小，光斑直徑減小，光斑能量分布更加集中，能量密度增大。實驗中采用功率通量法作為評價光束質量的標準。由光束分析儀測得的原始光斑直徑為45mm，變換后光斑直徑為32mm。

Fig.4 Intensity distribution of beam before and after reshaping by dual axicons

Fig.5 Intensity distribution of the converged beam before and after reshaping by dual axicon

a—original beam b—transformed beam

圖5為經過5m焦距透鏡會聚的激光束在反射屏上的光斑分布圖像。原始光束會聚光斑直徑為2.1mm，經過雙軸錐鏡變換后會聚的光斑直徑為2.5mm。由此可以得到基于功率通量法的光束遠場發散角θ：

式中，d為會聚光斑直徑，f為透鏡焦距。得到原始光束遠場發散角為0.42mrad，變換后光束遠場發散角為0.5mrad。

由實驗數據可以計算出基于功率通量法的光束質量因子：

式中，w(0)為基于功率通量法得到的光束在束腰處的直徑，原始束腰直徑為45mm，變換后束腰直徑為32mm。計算得到變換前后的光束質量因子M2分別為14和11.8。

3 結 論

通過對雙軸錐鏡光束整形方法進行理論分析，證明了其用于光學非穩腔輸出環形光束整形變換的可行性。設計加工了基于雙軸錐鏡的光束整形裝置，針對當前可用的非穩腔高能激光器輸出的環形光束進行了整形實驗。結果表明，采用雙軸錐鏡裝置整形后，輸出環形光束的遮攔比減小，光束的能量分布向光軸集中，光束束腰直徑由45mm減小為32mm，而其遠場發散角由0.42mrad增大為0.5mrad，光束質量因子M2由14減小到11.8。因此，變換后的光束比原始環形光束具有更好的光束質量。

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Annularlaserbeamreshapingbasedondualaxicons

RENJu1,LISichuan2,LIHang3,CHENPeifeng3,XIAHuijun1,ZHOUGuiyong1,PENGJie1

(1.Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China; 2.Military Representive Office in No.209 Institute, People’s Liberation Army of China, Chengdu 610041; 3.School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to improvelaser beam quality of unstable cavity high energy laser systems and the utilization of the aperture of a transmitting optical system, a new optical shaping method for the annular beam was proposed. Optical elements were added to the light path outside the laser cavity to shape the output of annular laser beam. On the basis of theoretical analysis, beam shaping devices based on dual axicons were designed and fabricated. The shaping experiments were carried out for the annular beam from an unstable cavity high energy laser. The data was obtained and was consistent with theoretical analysis.The results show that, the beam after shaping by using dual axicons has better beam quality than that of the original beam. Waist diameter decreases from 45mm to 32mm.M2factor reduces from 14 to 11.8. The method is feasible for the shaping and transformation of the annular beam from an unstable resonator.

laser optics; annular beam; beam reshaping; axicon

1001-3806(2018)01-0104-04

任 駒(1981-)，男，博士，高級工程師，現主要從事激光參量測試技術的研究。

E-mail:renju1981@126.com

2017-03-15；

2017-03-27

O436

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.020