一种紧凑型的反射式空间滤波技术

技术领域

本发明涉及光学空间滤波装置技术领域，是一种适用于较低功率激光系统的紧凑型反射式空间滤波器。

背景技术

在激光系统中，由于部分激光器本身的质量问题，或是由于光路中的光学元器件表面不平整、落尘和各种损伤污点等给激光束带来空间调制的原因，造成激光系统输出的光束质量较低，也因此会对实验上的光学操作或工业上的光学制造等带来较大的影响。例如在光学微操控系统中，低质量的光束会使得远场能量的分布发散，从而减弱光镊中产生的光束梯度力，影响了光镊对微粒的抓取，亦或是在再生放大激光系统中，质量较差的种子激光会在再生系统中带入过多的空间调制频率，其中的中高空间频率成分会在后续的能量放大过程中随着传输距离的增加而出现非线性的迅猛增长，引起小尺度自聚焦和成丝等现象，从而造成激光介质和光学器件的成丝破坏，以及光束质量的持续下降和激光能量的损失等。因此，如何通过有效地抑制光束中的空间频率调制来提高光束质量，对于光学实验研究和工业应用等方面都是具有重要意义的。

传统的空间滤波器由两个透镜和一个滤波孔组成，第一个透镜作为聚焦透镜，将光束聚焦在其焦平面上，实质也是通过傅里叶变换形成空间频率的频谱分布。由于频率越高的空间调制离焦斑中心越远，因此可以将小孔光阑放置在焦平面上对空间频谱进行低通过率，以此来滤除不需要的频率成分，低通过滤后的光束再经过第二个透镜进行准直和输出，从而达到改善光束质量的目的。目前空间滤波器已经较普遍地应用在激光光路中，尤其是在大功率激光装置中，属于不可或缺的关键设备之一。

空间滤波器的一个特点是透镜要有一定的焦距。对于球面透镜的一般光学系统而言，透镜焦距取得过大会使得系统体积太大，取得过小会导致透镜带来较大的球差等几何像差，影响光束质量，因此综合而言其F数通常设置在11到25之间，而常规空间滤波器的系统长度为两个透镜的焦距之和，因此放置于光路中时往往要占用不小的空间，不利于激光装置或光路设计的紧凑化。从而对于较小的实验平台而言，尤其是对于商业上光学系统的小型化紧凑化设计而言，空间滤波器的结构简化具有实用意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种紧凑型的反射式空间滤波器，其结构简单紧凑，仅包含一块透镜，占用空间少了一半，且便于在光路中即插即用。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种紧凑型的反射式空间滤波器，所述滤波器包括一个球面镜和一个反射式滤波光阑，所述反射式滤波光阑位于球面镜的焦面位置，所述反射式滤波光阑的边缘由光吸收材料制作，中心为凹孔，且凹孔的内底面为具有反射功能的平面。

作为本发明的进一步改进，所述反射式滤波光阑的中心凹孔可以是固定孔径的，也可以是由多个光阑片组合成的连续可调孔径，光阑片由光吸收材料制成的。

作为本发明的进一步改进，所述反射式空间滤波器的口径匹配数为1倍。

作为本发明的进一步改进，所述反射式空间滤波器结合直角形反射镜，可即插即用于光路中。

作为本发明的进一步改进，所述的反射式空间滤波器，其特征在于，结合光分束器，反射式空间滤波器可应用于光路中。

本发明的有益效果是：

通过反射式光阑的反射作用，将原本结构对称的空间滤波器的左右部分进行重叠，使得空间滤波器的整体长度缩减了一半，从而实现了空间滤波器的紧凑化设计；

光束经过透镜聚焦后，由于反射式光阑的反射作用，又返回经过该透镜实现光束的准直输出，从而该反射式空间滤波器中仅采用了一块透镜，有利于成本的降低；

结合直角反射镜，该反射式空间滤波器可即插即用于光路中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单的减少，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为反射式空间滤波器的(a)结构示意以及相应的(b)固定或是(c)可调的反射式滤波光阑。

图2为即插即用于光路中的结合直角反射镜的反射式空间滤波器。

图3为结合光分束器的反射式空间滤波器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1(a)所示，该反射式空间滤波器由透镜Lens和反射式滤波光阑Aperture组成，其中滤波光阑的中心为反射平面，可在玻璃等基底上镀介质全反膜或是镀金属膜制备而成，边缘由光吸收材料制成，滤波光阑的通光孔径可以是固定的，如图1(b)所示，也可以是由多个光阑片组合成孔径连续可调的形式，其结构如图1(c)所示，其中光阑片采用完全吸收的衰减片制作，可将辐照在上面的光能完全吸收。

入射光束经透镜Lens折射后在透镜的焦面上形成傅里叶空间频谱分布，反射式滤波光阑位于透镜的焦平面上，光阑边缘的光吸收材料将多余的中高空间频率成分进行吸收滤除，实现光束的低通过滤，低通过滤后的光束被光阑中心反射回，并再次经过透镜Lens实现光束的准直输出。相比传统的空间滤波器，该反射式空间滤波器通过光阑中心的反射作用，将结构对称的空间滤波器的左右部分重叠到一起，从而滤波器占用的空间长度缩减了一半，实现了滤波器的紧凑化设计，并且由于原本用于光束准直的透镜被重叠到聚焦透镜上，从而反射式空间滤波器中就只有一个透镜。也正是因为光束的聚焦和准直共用同一个透镜的原因，用于聚焦和准直的焦距完全一样，所以反射式空间滤波器的口径匹配倍数始终为1倍。

反射式空间滤波器的应用包含但不限于如下例1。结合直角形反射镜，反射式空间滤波器可在光路中实现即插即用式的空间滤波。如图2所示，入射光束从直角形反射镜Mirror的上端反射进入透镜Lens，经透镜的上半部分折射后在透镜的焦平面上形成远场的傅里叶空间频谱分布。反射式滤波光阑被置于透镜的焦平面上，光阑边缘的光吸收材料将多余的中高空间频率进行吸收滤除，实现激光频谱的低通过滤。低通过滤后的光束经光阑的反射中心面再经过透镜Lens的下半部分实现准直，最后通过直角形反射镜Mirror的下端反射输出。由于滤波器是横向置于光路中，在光路中所占的空间仅相当于透镜Lens的尺寸，而且最终的输出光与初始的入射光是在同一直线上，所以该反射式空间滤波器可任意插入光路中对光束进行空间滤波，而不会改变原有的光路和光束尺寸。

反射式空间滤波器的应用包含但不限于如下例2。反射式空间滤波器结合光分束器用于光路中。如图3所示，入射光束经光分束器Beam splitter反射进入透镜Lens，并在其焦面上形成远场的空间频谱分布，光束经反射式光阑Aperture滤波后反射回透镜Lens进行准直，最后再次经过光分束器将滤波后的光束进行输出。

由于光束是直接聚焦在滤波光阑的中心反射面上，因此该反射式空间滤波器仅适用于功率较低的连续激光或脉冲激光光路中。以长春新产业光电生产的全固态AOM纳秒脉冲激光器AO-L-1064为例，激光器输出光束为直径1.0 mm、波长1064 nm、单脉冲能量10 uJ、重频10 Hz的高斯光，结合菲涅尔衍射积分和透镜变换理论，采用Matlab商用软件来模拟计算光束的自由传输以及经过透镜时的相位变化，滤波器焦距取为0.1 m，计算可得光束聚焦辐照在反射式滤波光阑上的最大激光功率密度为0.23 J/cm

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。