空间滤波器

       空间滤波器是高功率固体激光系统中非常重要的器件，光学元件缺陷引入的相位畸变在所有相位畸变中占有很大的比重，且覆盖整个频谱范围，对焦斑主瓣、焦斑旁瓣及光束近场均会产生影响。空间滤波器主要作用是用来消除光束的空间不均匀性从而改善光束的质量。将精密针孔与聚焦透镜/物镜相结合形成一套空间滤波系统，可以有效去除高斯光束中的强度噪声，产生均匀的高斯光束。如下图（1）所示。

图1.空间滤波系统示意图。

       入射光通过精密抛光非球面透镜后聚焦，随后通过以光轴为中心的针孔，不仅可以阻挡不需要的噪声环，同时传递大部分激光能量并生成纯净的高斯光束。针孔的尺寸取决于入射光束的尺寸和聚焦透镜/物镜的焦距（系统调节时需注意焦点处精密针孔的损伤阈值，可先衰减调节对准精密针孔再放大入射激光功率），焦点尺寸按照衍射极限光斑计算如下式：

\( D=\frac{\lambda f}{r} \)          （1-1）

式中λ为波长，ƒ为焦距，r为入射光束的\( 1/e^2 \) 半径。

       在实际的空间滤波系统中可根据需求来选择合适的精密针孔和光学元件。

       假设使用波长为532 nm，\( 1/e^2 \) 直径为1.6 mm的固体激光器，通过空间滤波系统得到0.8 mm准直光束，透镜及镜架推荐使用LBTEK的MAC1610-A（直径25.4 mm，焦距50 mm）和镜架MFT组合安装。根据1-1式可得出其聚焦光斑的衍射极限直径为：

\( D=\frac{(0.532 \mu m)(5×10^4\mu m)}{(800\mu m)} \approx 33.25\mu m \) （1-2）

       精密针孔的选择应考虑焦斑主瓣通过，在保证95%以上能量通过的情况下保证光束质量，实际针孔的尺寸大于衍射极限光斑尺寸约30%，所以理论上我们应该使用大于42.225 μm的精密针孔（推荐选择尺寸45 μm的针孔）。为了保证系统输出的光斑直径为0.8 mm，准直透镜推荐使用MCX10610-A焦距为50 mm平凸透镜对聚焦光束进行扩束准直。

       以下是具体实验结果对比图例，我们分别选用了准高斯基模（圆形光斑）及近高斯基模（椭圆形光斑）进行滤波实验，不同形状的光斑直接影响滤波后的能量利用效率，越接近标准基模，能量利用率更高。注：椭圆形光斑由于其光束形状，需要添加光阑以实现最好效果。

图2.准高斯基模光斑经过空间滤波系统前后对比图。左图（滤波前椭圆率86.5%），右图（滤波后椭圆率99%）。

图3.近高斯基模经过空间滤波系统前后对比图。左图（滤波前椭圆率38.7%），右图（滤波后椭圆率99%）。