一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器的制造方法

专利名称:一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型揭示了一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，该零散斑激光器包括在同一光学平台上同轴依次设置的射频调制器、激光器、衍射光学元件和聚焦透镜；衍射光学元件位于所述激光器出射的方向上，射频调制器对激光器进行调制，经过射频调制器调制的激光入射进衍射光学元件；经由衍射光学元件出射的激光光束为零相干散斑激光光束，激光光束入射进聚焦透镜，经聚焦透镜出射的激光形成聚焦性的零散斑激光。本实用新型提出了一种基于低时间相干性和低空间相干性的零散斑激光器，通过一种降低时间相干性和空间相干性的技术得到了一种零散斑激光输出光束，解决了因时间相干性和空间相干性而产生的散斑的问题。
【专利说明】
一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器
技术领域
[0001]本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种低于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器。
【背景技术】
[0002]激光由于其具有的高亮度、高相干性和高准直性等特点，在工业、通信、医疗、激光检测与测量、仪器仪表等方面具有广泛的应用。激光具有高度相干性且振幅和位相不相同的光束，在空间各点形成无规则分布的颗粒状斑纹------激光散斑。激光散斑作为一种随机过程，是伴随激光器使用而必然存在的客观物理现象。激光散斑不仅造成了能量损失，同时也成为限制图像质量，降低图像分辨率和对比度的主要因素，如目前在研究和应用的激光投影显示和激光照明领域，激光散斑成为限制激光显示实现真正实用化的关键。
[0003]目前关于消除激光散斑的方法多种多样，总体而言可分为两类:其一是静态消散斑法;如降低激光器腔长或在光路中对入射光束分束后再合束，降低入射光束的相干性，但该方法操作复杂，光路连接稳定性低。CN102122081A公开的《激光光束匀光整形和消散斑装置》采用将纯相位衍射器件在电磁振动装置驱动下完成匀光整形和消散斑功能；CN101950087A公开的《一种消除激光散斑效应的方法》将入射光束通过振动的可通光的液体对光束相位进行破坏而消除激光散斑效应。
[0004]其二是动态散斑法。对激光散斑进行动态处理，利用时间平均抑制散斑，如旋转或振动散射体(毛玻璃、液晶装置、相位板)、超声波法等。使用动态散斑法时，散斑变化频率越快，散斑间相关性越小，在时间平均后散斑抑制效果越好，但是目前采取动态散斑法的结构复杂，系统的稳定性不好。目前散斑消除中，散斑频率控制范围有限，相位调节深度小使得散斑相关性较大，以上因素降低了散斑抑制效果，同时入射光束通过液晶装置和毛玻璃能量利用率较低，能量损失大，并且伴随着角度扩张现象，影响了系统的性能。
[0005]综上所述，无论是静态消斑法还是动态消斑法，都是从激光器(或者激光)本身出发来降低激光散斑对系统的性能的影响，过程中这两种方法仅仅是降低激光散斑对系统的性能的影响，却不能从更进一步的实时评价和测量系统方便的消减(或者补偿)从而得到一种低散斑影响、高信噪比的图像数据。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，通过一种降低时间相
[0007]干性和空间相干性的技术得到了一种零散斑激光输出的光束。
[0008]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现:一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，包括在同一光学平台上同轴依次设置的用于降低激光光束时间相干性的射频调制器、激光器、用于降低激光光束空间相干性的衍射光学元件和聚焦透镜;所述衍射光学元件位于所述激光器出射的方向上，所述射频调制器对所述激光器进行调制，经过所述射频调制器调制的激光入射进所述衍射光学元件;经由所述衍射光学元件出射的激光光束为基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑激光光束，所述激光光束入射进所述聚焦透镜，经所述聚焦透镜出射的激光形成聚焦性的零散斑激光。
[0009]优选地，在所述射频调制器的调制作用下，所述激光器本身出射的激光时间相干长度变短，形成低时间属性的激光。
[0010]优选地，所述低时间相干属性的激光经过衍射光学元件，将激光的波阵面进行重新构建，重新构建的激光的波阵面的单个部分的相位部分产生了偏移。
[0011]优选地，所述相位偏移量和低时间相干属性的激光的相干长度进行了匹配，达成的匹配关系为恰恰相对于向邻近的低时间相干属性的激光部分或者低时间相干属性的激光自身，能够形成低时间相干的条件的位置关系，从而达到了一种基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散班的激光输出。
[0012 ]优选地，所述基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光出射经过聚焦透镜部分，激光器的出射波阵面再次进行了重构，在出射波阵面重构作用下使得该种基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光出射达到聚焦的目的，得到聚焦性的基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光。
[0013]优选地，所述衍射光学元件的材料可为熔融石英、光学玻璃或光学树脂材料。
[0014]优选地，所述衍射光学元件由模压或刻蚀工艺制成。
[0015]本实用新型技术方案的优点主要体现在:本实用新型提出了一种基于低时间相干性和低空间相干性的零散斑激光器，通过一种降低时间相干性和空间相干性的技术得到了一种零散斑激光输出的光束，相对于目前的技术方案，解决了因时间相干性和空间相干性而产生的散斑的问题，从而得到了零散斑激光输出的激光器。
【附图说明】

[0016]图1是本实用新型的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器的结构示意图；
[0017]图2是本实用新型的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器的有激光散斑和零散斑的对比示意图。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
[0019]如图1所示。一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，包括在同一光学平台上同轴依次设置的用于降低激光光束时间相干性的射频调制器1、激光器2、用于降低激光光束空间相干性的衍射光学元件3和聚焦透镜4。在本实施例中，所述激光器2优选为一半导体激光器，选用半导体激光器的优点为:半导体激光器的波长范围宽，制作简单、成本低、激光利用效率高易于大量生产，并且体积小、重量轻、使用寿命长、性价比高和用电省。
[0020]所述衍射光学元件3位于所述激光器2出射的方向上，所述衍射光学元件3的材料可为熔融石英、光学玻璃或光学树脂材料，在本实施例中，所述衍射光学元件3的材料优选为光学树脂材料。之所以选用光学树脂材料是因为光学树脂具有以下优点:光学树脂不仅透明透光性好，在可见光区，光学树脂的透光率和玻璃相似，在红外光区，光学树脂的透光率比玻璃稍高，在紫外区，以0.4微米开始随波长的减小透光率降低，波长小于0.3微米的光几乎全部吸收;抗冲击能力强，光学树脂的冲击力是玻璃的好几倍，不易破碎，安全耐用。当然在工作过程中，也可选用光学玻璃，当在选用光学玻璃时，优选为德国SCHOTT肖特公司生产的BK7玻璃，相当于国内的K9玻璃，BK7玻璃的具体参数如下:折射率1.51680,耐酸性I，K氏硬度610。
[0021]所述衍射光学元件3由模压或刻蚀工艺制成，所述衍射光学元件3适用于对Nd:YAG、C02、飞秒激光器、半导体激光器等各种激光器进行光束整形，所述衍射光学元件3的主要应用包括激光光束整形(如激光加工、医疗、成像系统、传感器，圆形或方形平顶光束整形，矩阵、栅格、线形、圆形图案整形)和用作天文学中的相位器件。
[0022]当所述射频调制器I和所述激光器2进行工作时，所述射频调制器I对所述激光器2进行调制，在所述射频调制器I的调制作用下，所述激光器2本身出射的激光时间相干长度变短，即激光时间相干长度变短，激光相干时间变短形成低时间属性的激光001。
[0023]经过所述射频调制器I调制的激光001入射进所述衍射光学元件3;经由所述衍射光学元件3出射的激光光束为基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑激光光束002，所述低时间相干属性的激光经过衍射光学元件3，将激光的波阵面进行重新构建，重新构建的激光波阵面的单个部分的相位部分产生了偏移。
[0024]所述衍射光学元件3的功能为将激光的波阵面进行重新构建，进一步构建的激光的波阵面的单个部分的相位部分产生偏移，相位偏移量和低时间相干属性的激光的相干长度进行了匹配，达成的匹配关系为恰恰相对于向邻近的低时间相干属性的激光部分或者低时间相干属性的激光自身，能够形成低时间相干的条件的位置关系。
[0025]经由所述衍射光学元件3降低的空间相干性的激光光束入射进所述聚焦透镜4，经所述聚焦透镜4出射的激光形成聚焦性的零散斑激光003;所述相位偏移量和低时间相干属性的激光的相干长度进行了匹配，达成的匹配关系为恰恰相对于向邻近的低时间相干属性的激光部分或者低时间相干属性的激光自身，能够形成低时间相干的条件的位置关系，从而达到了一种基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散班的激光输出。
[0026]所述基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光出射经过聚焦透镜部分，激光器的出射波阵面再次进行了重构，在出射波阵面重构作用下使得该种基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光出射达到聚焦的目的，匹配后续的实际应用，最终形成聚焦性的基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光。如图2所示，图2是一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器的有激光散斑和零散斑的对比示意图由图2可以看出，没有经过消除激光散斑前的激光器的示意图，从图中可以看出，激光散斑为无规则分布的颗粒状斑纹;经过RF调制的激光器降低了时间相干性，RF调制后的激光光束入射进衍射光学元件后降低了空间相干性，经过衍射光学元件降低空间相干性的激光入射进聚焦透镜，由图2所示，得到聚焦性的基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑的激光光束;上述为低空间相干性和低时间相干性的具体体现，可以得到零散斑或低散斑输出。
[0027]在每个波阵面内部分相干波是空间相干的，部分相干在轴向方向；复合相干度g(r I，r2)依赖于时间延迟，光的时间相干性和空间相干性有位置特性。时间相干特性由g(rl，r2，0)来描述，波动在两个点分开的轴向距离大于相干长度大约是不相关的。从光传播波和复杂的波函数必须满足波动方程，光的时间和空间波动是密切相关的。对于准单色光波的复合相干度g(rl，r2，0)由g(rl，r2)来表示，DOE(衍射光学元件)可使相干区域小于光学系统的分辨率，相干g(rl，r2)的复合相干度可以被视为无穷小即所有rl不等于r2。
[0028]在极限的情况下g(rl，r2)= 0光是不相干的，由光反向散射的相干干扰从足够漫反射面产生的激光散斑图案的空间结构。低空间相干照明阶段共轭时间逆转波以外的空间相干区域，该低相干半导体激光器加上DOE(衍射光学元件)可以得到零散斑或低散斑。
[0029]半导体激光器调制在高数据率，激光光谱扩大是由于瞬态光谱现象，不同的调制指数产生具有不同调制深度的加宽光谱。该半导体激光器具有稳定的广阔波段而不跳模，该半导体激光器可产生低时间相干性。如果我们定义P。是相干距离，那么相干面积是pc，则Pc = 1.22A/0S。在这里03 = 2&/(1是光源所对应的角，a是一个圆孔径的半径，d是从光源到观察波阵面的距离。举个例子，一个光源的波长λ = 0.5μm和θs = 0.5°，则它们的相干长度pc =115λ = 57.5μπι0
[0030]本实用新型结构紧凑，能够得到零相干散斑激光，在实际应用过程中，大大提高了光能利用率，具有体积小、成本低及可批量生产等优点。
[0031]本实用新型提出了一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，同时通过一种降低时间相干性和空间相干性的技术得到了一种零散斑激光输出的光束，相对于现有技术中的技术方案，解决了因时间相干性和空间相干性而产生的散斑问题，从而得到了零散斑激光输出的激光器。
[0032]以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:包括在同一光学平台上同轴依次设置的用于降低激光光束时间相干性的射频调制器(I)、激光器(2)、用于降低激光光束空间相干性的衍射光学元件(3)和聚焦透镜(4);所述衍射光学元件(3)位于所述激光器(2)出射的方向上，所述射频调制器(I)对所述激光器(2)进行调制，经过所述射频调制器(I)调制的激光入射进所述衍射光学元件(3);经由所述衍射光学元件(3)出射的激光光束为基于低时间相干性和低空间相干性的零相干散斑激光光束，所述激光光束入射进所述聚焦透镜(4)，经所述聚焦透镜(4)出射的激光形成聚焦性的零散斑激光。2.根据权利要求1所述的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:在所述射频调制器(I)的调制作用下，所述激光器(2)本身出射的激光时间相干长度变短，形成低时间属性的激光。3.根据权利要求2所述的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:所述低时间相干属性的激光经过衍射光学元件(3)，将激光的波阵面进行重新构建，重新构建的激光波阵面的单个部分的相位部分产生了偏移。4.根据权利要求1所述的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:所述衍射光学元件(3)的材料可为熔融石英、光学玻璃或光学树脂材料。5.根据权利要求1所述的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:所述衍射光学元件(3)由模压或刻蚀工艺制成。6.根据权利要求1所述的一种基于低时间相干和低空间相干的零散斑激光器，其特征在于:所述激光器(2)为半导体激光器。
【文档编号】G02B27/48GK205720917SQ201620310175
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】罗宁, 罗宁一, 范辉
【申请人】维林光电(苏州)有限公司