一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法
【专利摘要】一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，属于激光外光路系统的设计及其应用领域。通过使用激光光束分析仪拍摄得到准分子激光光斑能量分布图像(1)，将像素所携带的光能量强度信息量化并根据微透镜单元所形成的光通道划分成网格区域，分别选择围绕光轴对称、光能量互补的一对区域计算其像素所表示的光能量通过其光通道(2)在均束平面(3)上的落点位置，根据两光通道在均束平面叠加后的均束效果优化光通道中微透镜单元的光学参数。重复该过程并应用于所有关于光轴对称的光通道，最终可以得到具有良好均束效果的光学系统。本发明以显著提升准分子激光微透镜阵列均束装置的均束效果。
【专利说明】一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，特别涉及一种利用 实测入射准分子激光光能量分布特征分别优化微透镜阵列中微透镜单元的光学参数以提 升装置整体均束效果的方法，属于激光外光路系统的设计及其应用领域。
【背景技术】
[0002] 准分子激光为峰值功率高、能量大的脉冲激光，同时具备波长在紫外波段的特殊 性，目前已经被广泛应用于科研、医疗和工业等诸多领域。由于准分子激光器的工作原理所 限，通常情况下其激光束的光斑形状并不规则且能量分布较为复杂。而对于大部分激光加 工或科学研究中，要求辐射光束光斑能量分布尽可能均匀。
[0003] 为了使激光光束辐照的区域光斑能量均匀化（简称均束），国内外学者发明设 计了多种光学系统。其中，微透镜阵列均束装置是适用于准分子激光均束的经典光学系 统。目前，国内外学者对于微透镜阵列均束装置有较为系统的研究，如Harder I等研 究了微透镜阵列均束装置的适用光源（Harder I, Lano M, Lindlein N. Homogenization and beam shaping withmicrolens arrays[J]. Proceedings of SPIE,2004,5456 ： 99-107) ;Zimmermann M等对其结构理论的和应用做了较为详细的讨论（Zimmermann M,Lindlein N, Voeikel R, et al. Microlens laser beam homogenizer: from theory to application [J]· Proceedings of SPIE，2007,6663(1) :1-13);杜国军等研究了应用于准 分子激光的微透镜阵列均束装置（杜国军，陈涛，左铁钏.应用于准分子激光的透镜阵列均 束器[J]·光电子?激光，2005,6 (3) :279-281)，等等。
[0004] 然而，目前的大多数研究工作所涉及的都是微透镜阵列均束装置的原理分析以及 理论光路设计，对于其均束效果的优化方法，相关研究还较少。本发明提供一种新的方法来 优化准分子激光微透镜阵列均束装置，使其达到理想的均束效果。另外，不同的准分子激光 器其光斑的能量分布也存在差异，本发明利用实测准分子激光的空间能量分布特征作为优 化依据，使微透镜阵列均束装置的光学设计更具备针对性和实用价值。
【发明内容】
[0005] 为了使准分子激光微透镜阵列均束装置取得更好的均束效果，本发明公开了一种 优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法。
[0006] 所述的准分子激光微透镜阵列均束装置是适用于准分子激光均束的经典光学系 统，一般包括第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶球面镜。准分子激光入射该光学系 统后，将依次经过第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、傅立叶球面镜，最终在均束平面上获 得辐照能量均匀的光斑。
[0007] 本发明采用以下技术方案予以实现：
[0008] 步骤一，通过激光光束分析仪拍摄得到入射光学系统的准分子激光光斑能量分布 图像；将像素所携带的光能量强度信息量化，并根据微透镜单元所形成的光通道划分成网 格区域。
[0009] 步骤二，分别选择围绕光轴对称、光能量互补的一对区域计算其像素所表示的光 能量通过其光通道在均束平面上的落点位置。
[0010] 步骤三，根据步骤二追踪到的关于光轴对称的两个光通道内各像素所表示的光能 量在均束平面上的落点位置，分析能量叠加后的分布状态。
[0011] 步骤四，根据步骤三所计算出的关于光轴对称的两个光通道光能量在光束均匀化 平面上能量叠加后的分布状态，分析光能量的均匀度，通过迭代降低所划分好的能量接收 单元的能量均方根偏差，优化光通道中微透镜单元的曲率。
[0012] 步骤五，重复步骤二到步骤四，依次优化所有关于光轴对称的一对光通道内微透 镜的曲率，完成对整个光学系统均束效果的优化。
[0013] 所述步骤一中将像素所携带的光能量强度信息量化的方法：若所使用激光光束分 析仪拍摄得到入射光学系统的准分子激光光斑能量分布图像为灰度图像，则根据各像素的 灰度按照由黑到白的256级灰度色域，由弱到强匹配光强度数值；若所拍摄的能量分布图 像为伪彩色图像，则按照伪彩色图像中色彩随光强度的变化规律，判断各像素的色彩以匹 配光强度数值。
[0014] 所述步骤二中追踪能量落点位置的方法，具体步骤如下：
[0015] 步骤1、选择右手坐标系，主坐标系X轴方向与光学系统光轴重合，以第i行第j列 光通道为分析对象，i、j e Z%以能量分布平面中心0J0, 0, 0)为原点建立坐标系OcrxciyciZci ; 选择在第i行第j列光通道所对应的能量分布区域，以其中心点 〇0(ij) (X0(ij)，y〇(ij)，Z0(ij))为 原点建立子坐标系〇〇(ij)-χ〇 (ij)y〇(ij)Ztl(ip ;其余各折射面分别以其顶点或中心点为原点确定 各自的坐标系。
[0016] 步骤2、在子坐标系0Q(ij)-X(l(ij)y(l(ij)Zci(ijA，确定所追踪像素的位置坐标，该像素的 位置即为光能量传播起始的位置，光能量的传播方向沿 X(l(ij)轴正方向。
[0017] 步骤3、根据空间光能量通过光学系统时的传播路径规律，依次确定光能量在 各个折射曲面上的落点位置，由坐标系OcKip-XcKipytKijPdM追踪能量传播路径至坐标系 〇4(ij)_X4(ij)y4(ij)Z4(ij)。
[0018] 步骤4、将所得到的04(ij)-x4(ij)y 4(ij)z4(ij)位置坐标通过坐标系的平移关系变换至 04-x 4y4z4,再从坐标系04-x4y 4z4追踪光能量路径至均束平面所在坐标系0H-xHy HzH,在坐标系 0H-xHyHz H中所得到的位置坐标即为该像素所表示的能量经过光学统后在光束均匀化平面 上的落点位置。
[0019] 步骤5、重复上述过程依次分析该光通道能量分布区域中的每一个像素，可以得到 其表示的能量在光束均匀化平面上的落点位置。
[0020] 所述步骤三中分析能量叠加后的分布状态的方法，具体步骤如下：
[0021] 将光束均匀化平面上的照明区域等分为的kXk个正方形的网格区域，k e Z%均 束平面的照明区域中，每一个方格可代表一个能量接收单元，通过统计单元范围内的能量 点并累加其能量，可以得到该能量单元上存在的光能量强度，以能量单元为分析单位可得 到能量叠加后新的分布状态。
[0022] 所述步骤四中，优化微透镜曲率的方法，具体步骤如下：
[0023] 设在kXk个能量接收单元中，第α行第β列单元所接收到的能量强度为Ια0， 计算两光通道叠加照明区域的单元平均光强度7:
【权利要求】
1. 一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，其特征在于：具体步骤如下： 步骤一，通过激光光束分析仪拍摄得到入射光学系统的准分子激光光斑能量分布图 像，将像素所携带的光能量强度信息量化，并根据微透镜单元所形成的光通道划分成网格 区域； 步骤二，分别选择围绕光轴对称、光能量互补的一对区域计算其像素所表示的光能量 通过其光通道在均束平面上的落点位置； 步骤三，根据步骤二追踪到的关于光轴对称的两个光通道内各像素所表示的光能量在 均束平面上的落点位置，分析能量叠加后的分布状态； 步骤四，根据步骤三所计算出的关于光轴对称的两个光通道光能量在光束均匀化平面 上能量叠加后的分布状态，分析光能量的均匀度，通过迭代降低所划分好的能量接收单元 的能量均方根偏差，优化光通道中微透镜单元的曲率； 步骤五，重复步骤二到步骤四，依次优化所有关于光轴对称的一对光通道内微透镜的 曲率，完成对整个光学系统均束效果的优化。
2. 如权利要求1所述的一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，其特征在 于：所述步骤一中将像素所携带的光能量强度信息量化的方法：若所使用激光光束分析仪 拍摄得到入射光学系统的准分子激光光斑能量分布图像为灰度图像，则根据各像素的灰度 按照由黑到白的256级灰度色域，由弱到强匹配光强度数值；若所拍摄的能量分布图像为 伪彩色图像，则按照伪彩色图像中色彩随光强度的变化规律，判断各像素的色彩以匹配光 强度数值。
3. 如权利要求1所述的一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，其特征在 于：所述步骤二中追踪能量落点位置的方法，具体步骤如下： 步骤1、选择右手坐标系，主坐标系X轴方向与光学系统光轴重合，以第i行第j列光通 道为分析对象：以能量分布平面中心〇〇(〇, 〇, 〇)为原点建立坐标系Oo-XoyoZo;选择在第i行 第j列光通道所对应的能量分布区域，以其中心点〇〇_ (Χομ，z&p为原点建立子坐 标系Ociiiji-XciiijiyciiijiZdM，其余各折射面分别以其顶点或中心点为原点确定各自的坐标系； 步骤2、在子坐标系中，确定所追踪像素的位置坐标，该像素的位置 即为光能量传播起始的位置，光能量的传播方向沿轴正方向； 步骤3、根据空间光能量通过光学系统时的传播路径规律，依次确定光能量在各个折射 曲面上的落点位置，由坐标系OcKifXcKuycKi^M追踪能量传播路径至坐标系04(ij)-x4(ij) y4(ij)z4(ij); 步骤4、将所得到的04(ij)-x4(ij)y4(ij)Z4(ij)位置坐标通过坐标系的平移关系变换至 04-x4y4z4,再从坐标系04-x4y4z4追踪光能量路径至均束平面所在坐标系0H-xHyHzH,在坐标系 0H-xHyHzH中所得到的位置坐标即为该像素所表示的能量经过光学统后在光束均匀化平面 上的落点位置； 步骤5、重复上述过程依次分析该光通道能量分布区域中的每一个像素，得到其表示的 能量在光束均匀化平面上的落点位置。
4. 如权利要求1所述的一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，其特征在 于：所述步骤三中分析能量叠加后的分布状态的方法，具体步骤如下： 将光束均匀化平面上的照明区域等分为的kXk个正方形的网格区域，keZ%均束平 面的照明区域中，每一个方格代表一个能量接收单元，通过统计单元范围内的能量点并累 加其能量，得到该能量单元上存在的光能量强度，以能量单元为分析单位得到能量叠加后 新的分布状态。
5.如权利要求1所述的一种优化准分子激光微透镜阵列均束装置的方法，其特征在 于：所述步骤四中，优化微透镜曲率的方法，具体步骤如下： 设在kXk个能量接收单元中，第α行第β列单元所接收到的能量强度为Iae，计算 两光通道叠加照明区域的单元平均光强度7:
计算单元能量的均方根偏差〇 :
两个能量互补的光通道中存在四个平凸面型微透镜，设其凸面曲率分别为P1,P2,P3，P4，在光学系统其它初始参数确定的条件下，O是一个关于PPP2,PP4的非线性 的多元函数函数，表示为σ(P1,ρ2,ρ3,ρ4); 若P1'P2°，P3°，P4°为微透镜单元的初始曲率，在其附近对σ(P1,ρ2,ρ3,ρ4)按 泰勒级数展开，只保留线性项，其表达式如下：
式⑶中Pi为经过迭代优化后的曲率，Pi°为优化前初始曲率，Pi-Pitl记作?.，记作叫i= 1，2,3,4;〇 (P°) =。（ρΛP2°，P3°，P4°)，是采用初始曲率参 m 数时的能量均方根偏差，表示为σ°，将式（3)表示为代数形式： σ ( P " P 2，P 3，P 4) = σ〇+ai Δ P l+a2 Δ P 2+a3 Δ P 3+a4 Δ P 4 (4) 将式（4)表示为矩阵式： σ=σ°+ΑΔp(5)
令φ= 则φ为极小值时0也为极小，且根据多元函数的极限值理论有： δΦηνΦηδΦηδΦ^ _ 巧=0, 4=()，表不为矩阵式： gradΦ= 2ΑΤσ= 〇 (6) 将式（5)代入式（6)得到矩阵式的关系方程： AtAΔρ= -Atσ0 (7) 由式⑵解得Λp，即ΛρρΛρ2、Λρ3、Λp4，对于初始曲率的每一项p,、p2°、P3°、P/分别给以增量ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4,得到经过优化后的P1、P2、P3、P4,将优 化后的曲率代入运算得到新的单元能量的均方根偏差，再将优化后的曲率作为初始曲率， 重复上述过程直至单元能量的均方根偏差不再降低得到各个微透镜的最优曲率。
【文档编号】G02B27/09GK104460005SQ201410654703
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】靳羽华, 蒋毅坚, 赵艳 申请人:北京工业大学