一种空间滤波器及其滤波小孔的固定方法

技术领域

本发明涉及激光设备技术领域，特别是指一种空间滤波器及其滤波小孔的固定方法。

背景技术

在高功率激光系统中，光学元件的非线性效应不能被忽略。另外，高功率激光系统中有大量的光学元件，由于元件表面以及内部的损伤点、污点和不均匀性以及光路中的灰尘和不均匀性等都会使得光束不可避免地受到空间调制。调制使得空间频谱中的中高频率能量增强，造成光束近场的光强分布改变。高能激光在介质中传播时，小尺度自聚焦是引起介质破坏、光束质量下降及激光能量损失的主要原因。同时由于部分中高空间频率的能量增长较快，最终导致光束聚焦的时候光斑能量发散。

如何有效抑制非线性增长较快的中高空间频率，是激光器在工作状态下保护光学元件、提高光束传输质量和减少能量损失的关键问题之一。

传统的空间滤波器由一对正透镜和位于透镜共焦点上的一个滤波小孔组成。空间滤波器的第一透镜为聚焦透镜，由于在焦平面上频率越高相应离焦斑中心越远，因此可以通过在焦平面上放置的滤波小孔将空间频谱中的中高频成分拦截掉，然后再经过第二个透镜准直就实现了光束的空间滤波，改善波前质量，使输出光束均匀化。除滤波之外，空间滤波器还具有其它几个功能，主要包括像传递功能和口径匹配功能。所谓像传递就是将输入的光束无畸变地逐级成像向后一直传输到输出面，通过缩短光束的有效传输距离，减小衍射效应以提高光束质量。综上可知，采用空间滤波器来滤除光束中的中高频成分，能有效的控制小尺度自聚焦现象，提高激光器的负载能力和输出光束的质量，已是高功率激光系统中不可或缺的关键装置。

在实现本发明的过程中，发明人发现：现有的空间滤波器中，滤波小孔结构为一个带圆孔的平面结构，即所谓的垫圈型滤波孔。平面结构的小孔厚度较大，不能准确的在焦点位置进行滤波，影响滤波效果。同时，随着激光功率越来越大，滤波小孔上所承受的光功率密度也越来越大，超过一定阈值时，强激光与材料的相互作用会导致材料的离子化，并喷发等离子体造成堵孔。此外，在加工过程中，将滤波小孔与玻璃真空管固定时，若使用金属材质的滤波小孔，金属与玻璃的热膨胀系数不同，采用直接熔接玻璃管的方式固定滤波小孔时，若熔接缝隙过小会引起玻璃管的炸裂。由于金属材料易氧化、热胀冷缩、易引发等离子体造成堵孔等原因，因此可考虑采用陶瓷材料的滤波小孔，而陶瓷材料的熔点比石英玻璃管的熔点低，若固定小孔的方式仍为直接熔接玻璃管，温度的骤然改变会引起陶瓷小孔的炸裂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种空间滤波器，滤波效果高、方便加工、不易出现堵孔现象，且在固定滤波小孔时能够防止炸裂。

基于上述目的本发明提供的一种空间滤波器，包括：真空玻璃管，以及分别设置在所述真空玻璃管两端的入射透镜和出射透镜，设置在所述真空玻璃管内的滤波小孔；所述滤波小孔为圆片状，且其厚度由边缘向中心逐渐减小，用于透光的孔结构位于所述滤波小孔的圆心位置。

在一些实施方式中，所述滤波小孔的圆周外缘上设置有用于与所述真空玻璃管熔接固定的凹槽。

在一些实施方式中，所述入射透镜和出射透镜均为正透镜。

在一些实施方式中，所述真空玻璃管的长度等于所述入射透镜和出射透镜的焦距之和。

在一些实施方式中，所述入射透镜和出射透镜均双面镀有增透膜。

在一些实施方式中，真空玻璃管的真空度至少为10^-5Pa。

在一些实施方式中，所述滤波小孔的材料为钼或陶瓷。

在一些实施方式中，所述入射透镜和出射透镜均为双面贴有高透膜的窗口片。

另一方面，本发明还提供了一种如上述任意一项所述空间滤波器中的滤波小孔的固定方法，包括：

将滤波小孔置于真空玻璃管内的预设固定点处；

将两个辅助固定玻璃管分别由所述真空玻璃管的两端放入其内，并将所述两个辅助固定玻璃管向所述滤波小孔推进，直至所述两个辅助固定玻璃管由所述滤波小孔的两端将其顶紧；

使用熔接方法，高温熔解所述真空玻璃管对应于所述两个辅助固定玻璃管远离所述滤波小孔一端的位置，并待冷却后将所述滤波小孔固定。

在一些实施方式中，所述辅助固定玻璃管的长度不超过所述真空玻璃管长度的二十分之一；所述辅助固定玻璃管的口径为所述真空玻璃管内孔径的0.99倍。

从上面所述可以看出，本发明提供的空间滤波器及其滤波小孔的固定方法，所述空间滤波器使用新型结构设计的滤波小孔，减小滤波小孔厚度，提高滤波效果同时降低堵孔效应；滤波小孔边缘为凹槽形设计，便于真空玻璃管的熔接；而在加工固定滤波小孔时，无论使用何种材质的滤波小孔，均能够有效避免炸裂现象。

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使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例的空间滤波器结构示意图；

图2为本发明实施例的空间滤波器中滤波小孔的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例的滤波小孔固定方法流程图；

图4为本发明实施例的滤波小孔固定方法中的产品状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种空间滤波器。参考图1和图2，其中，图1为本发明实施例的空间滤波器结构示意图，图2为本发明实施例的空间滤波器中滤波小孔的剖面结构示意图。

所述空间滤波器包括：真空玻璃管1，以及分别设置在所述真空玻璃管1两端的入射透镜2和出射透镜3，设置在所述真空玻璃管内的滤波小孔4。所述滤波小孔4为圆片状，且其厚度由边缘向中心逐渐减小，用于透光的孔结构401位于所述滤波小孔4的圆心位置。

真空玻璃管1是空间滤波器的主体部分，入射透镜2、出射透镜3和滤波小孔4均设置在真空玻璃管1内。使用时，真空玻璃管1内部为真空状态，根据应用于的系统对真空度的要求不同，真空玻璃管1的真空度也不同，一般情况下，要求真空玻璃管1的真空度应当至少为10^-5Pa。

入射透镜2和出射透镜3分别设置在真空玻璃管1的两端。本实施例中，入射透镜2和出射透镜3均为正透镜(即平凸透镜)；其中，入射透镜2的焦距记为f_1，出射透镜3的焦距记为f_2，则相应的，真空玻璃管1的长度L等于入射透镜2和出射透镜3的焦距之和，即L＝f_1+f_2；显然，在前述设置方式下，入射透镜2的后焦面位置与出射透镜3的前焦面位置重合。进一步的，入射透镜2和出射透镜3还均双面镀有增透膜，用于增强透光效果。

滤波小孔4设置在真空玻璃管1内，其具体位置即在入射透镜2的后焦面位置与出射透镜3的前焦面位置重合的位置处。滤波小孔4的形状为圆片状，且其厚度由边缘向中心逐渐减小，即圆片状的滤波小孔4边缘厚中间薄，参考图2所示，从剖面来看，滤波小孔4的剖面形状类似于两个锥形构成的“漏斗状”；而在两个锥形的连接位置，即滤波小孔4的圆心位置上设置用于透光的孔结构401。滤波小孔4的材料可以为金属钼或陶瓷；当使用钼制作滤波小孔4时，滤波小孔4在使用过程中不易被氧化，能够降低堵孔效应；当使用陶瓷制作滤波小孔4时，则不存在氧化的问题，能够延长滤波小孔4的工作寿命，提高滤波效果。在采用本实施例的上述滤波小孔4的结构时，能够在保证稳定固定的前提下，减小滤波小孔4厚度，提高滤波效果同时降低堵孔效应。

在一些其他的实施例中，参考图1和图2，滤波小孔4的圆周外缘上设置有用于与真空玻璃管1熔接固定的凹槽402。凹槽402为沿滤波小孔4的圆周外缘分布的环形凹槽。通过滤波小孔4圆周外缘的上述凹槽402设计，可采用直接熔接真空玻璃管1的方式进行滤波小孔的固定，同时环形的凹槽402设计保证了固定的稳定性。具体的，在加工固定滤波小孔4时，通过熔接真空玻璃管1与滤波小孔4上的凹槽402对应重合的部位，使真空玻璃管1的形状与凹槽402形状匹配，实现滤波小孔4的固定。此外，根据具体的应用需要，在加工固定滤波小孔4过程中，除了熔接全部真空玻璃管1与滤波小孔4上的凹槽402对应重合的部位的方式之外，还可以沿滤波小孔4的圆周外缘，选取等距的三处熔接点，仅在所述三处熔接点位置处，熔接真空玻璃管1实现滤波小孔4的高效率固定。

在一些其他的实施例中，所述入射透镜2和出射透镜3均为双面贴有高透膜的窗口片。本实施例的上述设计能够减小真空管的长度，降低空间滤波器的制作难度；相应的，在使用时，需要使用两片正透镜设置在真空玻璃管1外部，并且应调整两片正透镜的位置，保证滤波小孔4位于入射透镜2的后焦面位置与出射透镜3的前焦面位置重合的位置处。

另一方面，本发明实施例还提供了一种如上述实施例所述的空间滤波器中的滤波小孔的固定方法。

在现有技术中，金属材质的滤波小孔在熔接时，由于金属与玻璃的热膨胀系数不同，采用直接熔接真空玻璃管的方式固定滤波小孔时，若熔接缝隙过小会引起玻璃管的炸裂；而在使用陶瓷材料的滤波小孔时，陶瓷材料的熔点比石英玻璃管的熔点低，若采用熔接真空玻璃管固定滤波小孔的方式，温度的骤然改变会引起滤波小孔的炸裂。为解决上述技术问题，提出了本实施例的空间滤波器中的滤波小孔的固定方法。

参考图3和图4，其中，图3为本发明实施例的滤波小孔固定方法流程图，图4为本发明实施例的滤波小孔固定方法中的产品状态示意图。

所述方法包括以下步骤：

步骤301、将滤波小孔置于真空玻璃管内的预设固定点处。

本步骤中，首先准备好真空玻璃管，真空玻璃管1的内孔径为D，长度为L。然后将滤波小孔4置入真空玻璃管1内的预设固定点处。

步骤302、将两个辅助固定玻璃管分别由所述真空玻璃管的两端放入其内，并将所述两个辅助固定玻璃管向所述滤波小孔推进，直至所述两个辅助固定玻璃管由所述滤波小孔的两端将其顶紧。

本步骤中，选择两个辅助固定玻璃管5，辅助固定玻璃管5的长度为l，口径为d。为了确保辅助固定玻璃管5在真空玻璃管1内不会遮挡光路，同时保证与真空玻璃管1之间有一定的缝隙可以完成熔接，辅助固定玻璃管5的设计标准为：辅助固定玻璃管5的长度不超过所述真空玻璃管长度的二十分之一，即l<1/20L；所述辅助固定玻璃管的口径为所述真空玻璃管内孔径的0.99倍，即d＝0.99D。

将两个辅助固定玻璃管5分别由真空玻璃管1的两端放入其内，并将两个辅助固定玻璃管5向滤波小孔4推进，直至两个辅助固定玻璃管5由滤波小孔4的两端将其顶紧，实现滤波小孔4位置的固定。

步骤303、使用熔接方法，高温熔解所述真空玻璃管对应于所述两个辅助固定玻璃管远离所述滤波小孔一端的位置，并待冷却后将所述滤波小孔固定。

本步骤中，在经过前述步骤确定滤波小孔4位置的基础上，使用熔接方法，高温熔解真空玻璃管1对应于两个辅助固定玻璃管5远离滤波小孔4一端的位置，该熔解位置参考图4中的标注为A的位置。待冷却后，辅助固定玻璃管5即与真空玻璃管1间连接固定，从而进一步的实现滤波小孔4的固定。

可见，本实施例的滤波小孔的固定方法，不直接熔接真空玻璃管与滤波小孔的固定位置，即采用间接固定滤波小孔的方式，可以解决前述现有技术中的玻璃管及陶瓷材质滤波小孔的炸裂问题。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。