一种高斯光束整形扩束系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种高斯光束整形扩束系统，包括扩束镜和整形镜。其特点是不仅可以将入射光束的发散角压缩，而且可以将光束横截面的高斯分布转为平顶分布。这种高斯光束整形扩束系统具有结构简单、功能集成等优势，可广泛用于激光探测、激光加工等领域。
【专利说明】
一种高斯光束整形扩束系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光学领域，尤其涉及一种将高斯光束转化为能量均匀的平顶光束 的高斯光束整形扩束系统。
【背景技术】
[0002] 激光扩束镜是一种常见的压缩激光发散角的装置。这种倒置望远镜结构的光学仪 器，可以将入射光束的光斑扩大(进而压缩发散角）的同时、保持了出射光的平行光状态。然 而，通常在激光谐振腔中输出的激光都是高斯光束，高斯光束的光强分布特点是中心能量 强度大，向两边能量逐渐减少。因此传统激光扩束镜只能改善激光发散角，但无法改变其光 斑分布特性，这在很多应用中是十分不利的。比如在目标探测中，激光横截面上不同地方照 射目标，返回的能量是不一样的，因此需要很大的动态范围的探测器件。如何能实用新型一 种既可压缩光斑发散角、又可改变光斑能量分布的激光扩束镜是摆在广大科技工作者面前 的难题。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型主要是解决现有技术所存在的平凸平凹结构只能完成单一扩束功能 的技术问题;提供了一种结构简单的、基于非球面透镜的高斯光束整形扩束系统，该系统由 两块透镜组合而成，可同时实现特定激光光束的整形和扩束功能。其中的整形扩束镜为一 平凹镜，矫正镜为一平凸镜。这种由透镜组成的系统加工工艺较为简单，同时也能保证较为 良好的高斯光束转化为平顶光的效果的一种高斯光束整形扩束系统。
[0004] 本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0005] -种高斯光束整形扩束系统，其特征在于，包括：
[0006] 整形扩束镜:将入射光束的发散角压缩；
[0007]矫正镜:将光束横截面的高斯分布转为平顶分布，将高斯光中心的光均匀分散到 光斑的四周；
[0008] 其中，整形扩束镜是平凹面镜(其面型形状需保证将入射光斑扩束并排布成均匀 的强度），矫正镜是平凸面镜(其面型形状需保证将入射于其面上的均匀强度光线重新准直 为平行光），且整形扩束镜的凹面和矫正镜的凸面相对;并且整形扩束镜和矫正镜的中心在 同一直线上。
[0009] 图1是本实用新型中激光整形扩束镜几何外形示意图。第一块透镜为整形扩束镜， 是一块平凹面镜，一束高斯光束经整形扩束镜后，中心光束的能量可以被分散到两边，同时 光束被扩散。第二块透镜为矫正镜，是一块平凸面镜，经整形扩束镜扩束后的光线再经过矫 正镜后重新变为平行光出射，从而得到一束能量均匀分布的平行光束。扩束镜的凹面和整 形镜的凸面相对。
[0010]在上述的一种高斯光束整形扩束系统，所述凹面镜为高次非球面曲面面型，凸面 镜也为高次非球面曲面面型。
[0011] 在上述的一种高斯光束整形扩束系统，两块透镜的材料均为石英玻璃。
[0012] 因此，本实用新型具有如下优点：1.兼备扩束和整形两大功能于一体，是实现激光 扩束领域重要的方法改进;2 .在实现激光的扩束整形的同时，本实用新型并没有增加额外 的光学元件，因此具有实用性和低成本的特性。
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型中激光整形扩束镜几何外形示意图。
[0014] 图2是本实用新型中利用ZEMAX对激光整形扩束系统进行光线追击后得到光路图。
[0015] 图3是本实用新型中入射高斯光束横截面光强分布示意图。
[0016] 图4是本实用新型中系统出口处所得的光强分布示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
[0018] 实施例：
[0019] 本实施例采用一个由两个非球面透镜组成的折射系统，来将高斯光束整形为能量 分布均匀的平顶光束，同时光束大小扩大至十倍，图1是激光整形扩束系统的几何外形结构 示意图。图1中，r为第一面透镜的工作孔径，R是第二面透镜的相应孔径，d为扩束镜第二面 到整形镜第一面的距离，no为空气折射率，m为第一块透镜折射率，11 2为第二块透镜折射率。 γ =η/η〇，η为任意一块透镜的折射率。ti为第一块透镜厚度，t2为第二块透镜厚度。si为第 一块透镜表面，s 2为第二块透镜表面。从左往右起，以第一面平面透镜的圆心为坐标原点，z 为第二面透镜面上各点横坐标，Z为第三面透镜面上各点横坐标。1为扩束镜，2为矫正镜。
[0020] 为达到上述目的，本实用新型采用如下原理设计：
[0021] 1.能量守恒。
[0022] 2.光程恒定。
[0023]设入射光线的能量密度为〇(r)，如果入射激光是一束归一化的基本高斯TEMq0模 式，则〇(r)=eXp[-2(r/r0)2]。出射光束和入射光束能量相等，结合能量密度的公式推导得 到出射光束的光束半径R的表达式为：
[0024] ( 1 )
[0025]
[0026] (2)
[0027] 前面的公式中，rmax是第一面透镜的工作孔径，Rmax是第二面透镜的相应孔径，r〇为 第一面透镜的半径，根据设计的目标，第一面透镜的面型要使光线经过折射后到达第二面 透镜的S 2表面，而第二面透镜的S2表面则必须根据光线折射后能够平行于光轴出射的条件 进行面型参数的计算。经过一系列基于光学原理公式的代入推导，最终得到面型方程为：
[0028] [(l-y2)(Z-z)2-y2(R-r)2](z ,)2+2(R-r)(Z-z)z, + (R-r)2 = 0 (3)
[0029] 其中z ' =dz(r)/dr。γ =n/n〇，n为任意一面透镜的折射率，no为空气折射率。求解 此方程可以得到第一面透镜S1表面的面型基本参数，但由于Z依然未知，因此将(Z-z)作为 整体进行替换。对于一束沿主光轴入射的激光束，其光程可以表示为JOPLhinti+nod+ nt2,而一束以任意角度、高度为r入射的光束光程的表达式为dOPDrinz+noKR-ry+U-zA^+nUi+d+ts-Z)。 由光线在两点之间传播光程相等的原理， （OPL)〇=(OPL)r，将上述两 式代入得到：
[0030； (4)
[0031；
[0032； (5)
[0033] 对于一个确定的透镜糸统，其出射光束的能量密度由（2)式计算得到，每一束光线 在第二面透镜上的入射高度R由（1)式计算得到，第一面透镜的面型参数z由z'的数值积分 得到，第二面透镜的面型参数Z则由（4)式进一步确定。
[0034] 求解以上方程，本整形扩束系统的两个非球面可以由一系列数值参数(r，z)和(R， Z)表示。经测试，用非线性最小二乘法可以非常精确地拟合这些数据，采用这种方法拟合得 到面型方程为：
[0035]
(6)
[0036]下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0037] 本实施例为利用高斯光束整形扩束系统进行扩束整形的实施过程。
[0038] 作为实施例，选取空气折射率 η。= 1，乜=5，七2 = 5，111 = 112 = 1.46070631，λ = 532ηηι， γ n=n/n〇，r_max = 10，R_max = 10。束腰半径r〇 = 2，放大倍率为 IOX。
[0039]首先，确定两块透镜的面型参数，根据(6)式进行Matlab程序的编写，对采集的数 据进行拟合，得到面型方程(6)中的各项系数。
[0040]在matlab中运行程序得到两块透镜的参数分别为：
[0041 ] 凸面镜：曲率半径：9.2141261 OOmm;非球面系数：-2.000000000; 4系数：_ 0 · 024596454; r4 系数：-0 · 000849785; r6 系数：0 · 000018345; r8 系数：-0 · 000000175; r1Q 系数： 〇.〇〇〇〇〇〇〇01〇
[0042] 凹面镜：曲率半径：-92.141262000mm;非球面系数：0.000000000#2系数：-0 · 000364025; r4 系数：-0 · 000002508; r6 系数：0 · 000000007。
[0043]第二步，将之前经过计算所得的面型参数导入ZEMAX，在序列模式下进行模拟，得 出面型并进行优化。图2是ZEMX中优化后的激光整形扩束系统的外形图。
[0044] 第三步，在光学系统中，不仅要考虑到透镜对光线的折射，还要考虑到各个面对光 线的反射，这样才更接近真实情况，而序列模式下无法实现模拟这一点，所以需要在非序列 模式(Non sequential pattern)下进行光线追迹，在不同的距离处设置多个探测器，探测 光斑的光强分布，以此来评估此扩束整形系统的效果。图3为入射高斯光束的光斑光强分布 图，图4为经扩束整形系统后的光斑光强分布，可以看出系统很好地完成了高斯激光光束的 扩束整形功能。
[0045] 需要强调的是，在本实用新型中，整形扩束镜和矫正镜的参数的选择和设置，通过 公知的光学知识能够得到，在本实用新型保护的是扩束系统的组成结构以及两个整形扩束 镜和矫正镜所采用的镜片形状。
[0046]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所 属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似 的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种高斯光束整形扩束系统，其特征在于，包括： 整形扩束镜:将入射光束的发散角压缩； 矫正镜:将光束横截面的高斯分布转为平顶分布，将高斯光中心的光均匀分散到光斑 的四周； 其中，整形扩束镜是平凹面镜，矫正镜是平凸面镜，且整形扩束镜的凹面和矫正镜的凸 面相对;并且整形扩束镜和矫正镜的中心在同一直线上。2. 根据权利要求1所述的一种高斯光束整形扩束系统，其特征在于，所述凹面镜为高次 非球面曲面面型，凸面镜也为高次非球面曲面面型。3. 根据权利要求1所述的一种高斯光束整形扩束系统，其特征在于，两块透镜的材料均 为石英玻璃。
【文档编号】G02B27/09GK205581428SQ201620379194
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】郑仁杰, 魏然, 代天睿, 董馨源, 谭胜煌, 郑国兴
【申请人】武汉大学