CN108196325B - 一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置及方法，属于高功率激光技术领域，包括基座、透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片，所述透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片均呈倾斜式设于基座内部，且两者均设有多个，本发明将透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片相结合，在保证杂散光强度透射率低于杂散光强度的10％的前提下，优化出杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角，同时，优化透明熔石英玻璃吸收片的安装角度，促使杂散光在相邻的透明熔石英玻璃吸收片之间反射3次以上，实现杂散光分级多次吸收，提高激光系统杂散光吸收能量密度至50J/cm²以上。

Description

一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置及方法

技术领域

本发明属于高功率激光技术领域，具体地说涉及一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置及方法。

背景技术

在较为复杂的高功率激光光学系统中，除了主激光外，还有大量的杂散光存在系统之中，为保证高功率激光光学系统中大量光学元件的安全，需要对杂散光进行控制和吸收。其中，能量密度较低的杂散光可以由金属结构表面直接吸收，而能量密度达到100mJ/cm²的杂散光需要借助专门的吸收装置进行吸收，一般采用黑色中性玻璃作为吸收材质。

受制于黑色中性玻璃能够耐受的高功率激光能量密度，采用黑色中性玻璃直接吸收的方式，仅能够承受≤2J/cm²的杂散光入射。实际应用过程中，一般通过倾斜黑色中性玻璃片的方式，增大杂散光接收面积，能够提高杂散光吸收的能量密度至≤10J/cm²。在现有的杂散光吸收装置及方法中，尚没有一种能够提高杂散光吸收能量密度至50J/cm²以上的装置及方法。

发明内容

针对现有技术的种种不足，发明人将透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片相结合，充分利用透明熔石英玻璃吸收片耐高温、热膨胀系数低的特点以及黑色中性玻璃吸收片高吸收率的特点，实现杂散光分级多次吸收，提高激光系统杂散光吸收能量密度至50J/cm²以上。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，包括基座、透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片，所述透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片均呈倾斜式设于基座内部，且两者均设有多个；

多个透明熔石英玻璃吸收片首尾相接，且多个透明熔石英玻璃吸收片与基座底面的夹角均相等，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片之间的夹角为ɑ，且α<36°；

所述黑色中性玻璃吸收片与透明熔石英玻璃吸收片的个数相同，且两者一一对应设置，所述黑色中性玻璃吸收片位于透明熔石英玻璃吸收片与基座之间，且黑色中性玻璃吸收片与透明熔石英玻璃吸收片之间留有间隙，所述黑色中性玻璃吸收片与基座底面之间的夹角为β，β>72°。

进一步，所述透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片的个数均为偶数。

进一步，所述透明熔石英玻璃吸收片为双面平行结构。

进一步，所述黑色中性玻璃吸收片为双面平行结构，其选型与杂散光的波长匹配。

另，本发明还提供一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片的安装至基座内部；

S2：若杂散光偏振态为S偏振，执行步骤S3；若杂散光偏振态为P偏振，先调整基座位置，再执行步骤S3；

S3：确定杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角，并根据入射角进一步调整基座位置；

S4：杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片产生一次透射光束和一次反射光束，所述透明熔石英玻璃吸收片标记为初始的透明熔石英玻璃吸收片，所述一次透射光束由黑色中性玻璃吸收片直接吸收；

S5：所述一次反射光束入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片产生二次透射光束和二次反射光束，所述二次透射光束由黑色中性玻璃吸收片直接吸收；

S6：所述二次反射光束重复步骤S4-S5，直至N-1次反射光束垂直入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片，即可。

进一步，所述步骤S3中，S偏振杂散光的强度为A_⊥，一次反射的S偏振杂散光的强度为R_⊥，一次透射的S偏振杂散光的强度为T_⊥，空气对杂散光的折射率n₁，透明熔石英玻璃吸收片对杂散光的折射率为n₂，杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角为θ₁，透射角度为θ₂，出射角度为θ₃，其中，θ₁＝θ₃，则：

其中，n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂；

则，杂散光强度的反射率：

杂散光强度的透射率：/>

进一步，所述步骤S3中，杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角θ₁确定方法为：令

求得θ₁，即可。

进一步，所述步骤S2中，当杂散光偏振态为P偏振时，将基座绕z轴旋转90°，即可保证入射至透明熔石英玻璃吸收片的杂散光偏振态为S偏振。

进一步，所述杂散光在相邻的透明熔石英玻璃吸收片之间的反射次数大于3次，且N≥4。

本发明的有益效果是：

将透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片相结合，在保证杂散光强度透射率低于杂散光强度的10％的前提下，优化出杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角，同时，优化透明熔石英玻璃吸收片的安装角度，促使杂散光在相邻的透明熔石英玻璃吸收片之间进行3次以上的反射，实现杂散光分级多次吸收，既能有效规避黑色中性玻璃吸收片能够耐受的高功率激光能量密度的限制，又能提高激光系统杂散光吸收能量密度至50J/cm²以上。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的光学原理示意图。

附图中：1-透明熔石英玻璃吸收片、2-黑色中性玻璃吸收片、3-基座、α-相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片之间的夹角、β-黑色中性玻璃吸收片与基座底面之间的夹角。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1所示，一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，包括基座3、透明熔石英玻璃吸收片1和黑色中性玻璃吸收片2，所述透明熔石英玻璃吸收片1用于对杂散光进行多次反射和透射，所述黑色中性玻璃吸收片2用于吸收透射过透明熔石英玻璃吸收片1的杂散光，所述基座3的内部设有空腔，其同样具有吸收杂散光的功能。所述透明熔石英玻璃吸收片1和黑色中性玻璃吸收片2均呈倾斜式设于基座3内部，且两者均设有多个。同时，多个透明熔石英玻璃吸收片1首尾相接，且多个透明熔石英玻璃吸收片1与基座3底面的夹角均相等，也就是说，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片1形成正V形或倒V形。

如图1-2所示，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片1之间的夹角为ɑ，一次反射光束的反射角为ɑ₁，二次反射光束的反射角为ɑ₂，三次反射光束的反射角为ɑ₃，且：α₁＝90°-α/2，α₂＝90°-3α/2，α₃＝90°-5α/2，为保证杂散光在相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片1之间进行3次以上的反射，令α₃>0，求得α<36°，也就是说，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片1之间的夹角小于36°。

所述黑色中性玻璃吸收片2与透明熔石英玻璃吸收片1的个数相同，且两者一一对应设置，同时，为实现杂散光在相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片1之间进行反射，黑色中性玻璃吸收片2与透明熔石英玻璃吸收片1的个数均为偶数，本实施例中，两者均设有6个。同时，所述黑色中性玻璃吸收片2位于透明熔石英玻璃吸收片1与基座3之间，且黑色中性玻璃吸收片2与透明熔石英玻璃吸收片1之间留有间隙，所述黑色中性玻璃吸收片2与基座底面之间3的夹角为β，β>72°。

一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将透明熔石英玻璃吸收片1与黑色中性玻璃吸收片2的安装至基座3内部；

S2：若杂散光偏振态为S偏振，执行步骤S3；若杂散光偏振态为P偏振，先将基座绕z轴旋转90°，即可保证入射至透明熔石英玻璃吸收片1的杂散光偏振态为S偏振，再执行步骤S3；

S3：确定杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片1的入射角，并根据入射角进一步调整基座位置，具体为：

S偏振杂散光的强度为A_⊥，一次反射的S偏振杂散光的强度为R_⊥，一次透射的S偏振杂散光的强度为T_⊥，空气对杂散光的折射率n₁，透明熔石英玻璃吸收片1对杂散光的折射率为n₂，杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片1的入射角为θ₁，透射角度为θ₂，出射角度为θ₃，其中，由于透明熔石英玻璃吸收片1为双面平行结构，则θ₁＝θ₃，得出：

其中，n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂；

则，杂散光强度的反射率：

杂散光强度的透射率：

令

也就是说，杂散光强度透射率低于杂散光强度的10％，以规避黑色中性玻璃吸收片2能够耐受的高功率激光能量密度的限制，求得θ₁，即可；

S4：杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片1产生一次透射光束和一次反射光束，所述透明熔石英玻璃吸收片1标记为初始的透明熔石英玻璃吸收片，所述一次透射光束由黑色中性玻璃吸收片2直接吸收；

S5：所述一次反射光束入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片1产生二次透射光束和二次反射光束，所述二次透射光束由黑色中性玻璃吸收片2直接吸收；

S6：所述二次反射光束重复步骤S4-S5，直至N-1次反射光束垂直入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片1，即可。

此外，由于所述杂散光在相邻的透明熔石英玻璃吸收片1之间的反射次数大于3次，则N≥4。所述黑色中性玻璃吸收片2为双面平行结构，其选型与杂散光的波长匹配，如杂散光波长为1053nm时，黑色中性玻璃吸收片2选择ZWB2型号，透明熔石英玻璃吸收片1与黑色中性玻璃吸收片2的厚度为10mm左右。

整个装置结构简单且紧凑、成本低，可用于高功率激光系统中任何一类高能量的杂散光吸收，针对不同能量的入射杂散光，通过精确控制杂散光的入射角θ₁，即可精确控制杂散光能量的反射率和透射率，保证杂散光能量的透射率低于入射能量的10％，进而保护黑色中性玻璃吸收片2。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

当α＝30°且β＝75°时，可吸收杂散光的最高能量密度为82J/cm²。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

当α＝25°且β＝75°时，可吸收杂散光的最高能量密度为100J/cm²。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，包括基座、透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片，所述透明熔石英玻璃吸收片和黑色中性玻璃吸收片均呈倾斜式设于基座内部，且两者均设有多个；

多个透明熔石英玻璃吸收片首尾相接，且多个透明熔石英玻璃吸收片与基座底面的夹角均相等，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片之间的夹角为ɑ，且

，相邻的两个透明熔石英玻璃吸收片形成正V形或倒V形；

所述黑色中性玻璃吸收片与透明熔石英玻璃吸收片的个数相同，且两者一一对应设置，所述黑色中性玻璃吸收片位于透明熔石英玻璃吸收片与基座之间，且黑色中性玻璃吸收片与透明熔石英玻璃吸收片之间留有间隙，所述黑色中性玻璃吸收片与基座底面之间的夹角为β，

；

所述提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置的使用方法，包括如下步骤：

S1：将透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片的安装至基座内部；

S2：若杂散光偏振态为S偏振，执行步骤S3；若杂散光偏振态为P偏振，先调整基座位置，再执行步骤S3；

S3：确定杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角，并根据入射角进一步调整基座位置；

S偏振杂散光的强度为

，一次反射的S偏振杂散光的强度为/>

，一次透射的S偏振杂散光的强度为/>

，空气对杂散光的折射率n₁，透明熔石英玻璃吸收片对杂散光的折射率为n₂，杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角为θ₁，透射角度为θ₂，出射角度为θ₃，其中，/>

，则：

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，其中，/>

；

则，杂散光强度的反射率：

，杂散光强度的透射率：/>

；

杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片的入射角θ₁确定方法为：令

，求得θ₁；

S4：杂散光入射至透明熔石英玻璃吸收片产生一次透射光束和一次反射光束，所述透明熔石英玻璃吸收片标记为初始的透明熔石英玻璃吸收片，所述一次透射光束由黑色中性玻璃吸收片直接吸收；

S5：所述一次反射光束入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片产生二次透射光束和二次反射光束，所述二次透射光束由黑色中性玻璃吸收片直接吸收；

S6：所述二次反射光束重复步骤S4-S5，直至N-1次反射光束垂直入射至相邻的透明熔石英玻璃吸收片，即可。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，所述透明熔石英玻璃吸收片与黑色中性玻璃吸收片的个数均为偶数。

3.根据权利要求2所述的一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，所述透明熔石英玻璃吸收片为双面平行结构。

4.根据权利要求2所述的一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，所述黑色中性玻璃吸收片为双面平行结构，其选型与杂散光的波长匹配。

5.根据权利要求1所述的一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，所述步骤S2中，当杂散光偏振态为P偏振时，将基座绕z轴旋转90°，即可保证入射至透明熔石英玻璃吸收片的杂散光偏振态为S偏振。

6.根据权利要求5所述的一种提高激光系统杂散光吸收能量密度的装置，其特征在于，所述杂散光在相邻的透明熔石英玻璃吸收片之间的反射次数大于3次，且

。

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