本發(fā)明涉及光束整形，具體為一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的氦氖激光器和光纖激光器發(fā)出的激光光束一般為圓形光斑，光強(qiáng)分布為高斯分布，能量大部分集中在中心區(qū)域。半導(dǎo)體激光器因激光二極管的存在，在快慢軸上的發(fā)散角不同，其直接發(fā)出的激光光束的光斑形狀為橢圓形，在兩個(gè)垂直方向上的光強(qiáng)分布呈現(xiàn)準(zhǔn)高斯分布。由于激光器直接輸出的高斯光束強(qiáng)度分布不均，中間強(qiáng)度高，周?chē)鷱?qiáng)度低，往往造成照射不均勻、能量利用率不高、引入額外測(cè)量誤差等問(wèn)題，限制了其在一些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)激光光束勻化整形的光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。目前常見(jiàn)的光束整形法主要有微透鏡陣列整形法、衍射元件整形法、液晶空間光調(diào)制器法、非球面透鏡組法以及孔徑光闌法等。其中非球面透鏡組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損傷閾值高、透過(guò)率高等優(yōu)點(diǎn)，在激光整形領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。

2、但是也存在一些缺陷：

3、（1）難以滿(mǎn)足x，y方向上高斯光束轉(zhuǎn)化為平頂光束的需求；

4、(2)傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小尺寸勻化光斑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意尺寸的勻化光斑。

5、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，可對(duì)激光單一方向進(jìn)行獨(dú)立整形，而不影響與其垂直方向光斑的原有強(qiáng)度分布，以達(dá)到將一般激光器產(chǎn)生的圓形高斯光束整形為光強(qiáng)分布均勻的線(xiàn)形光斑的效果；若使用兩組正交放置的非球面柱透鏡組組合，可將圓高斯光斑整形為光強(qiáng)均勻分布的矩形光斑；具有整形效果理想、能量損耗低、使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可拓展至將任意給定光強(qiáng)分布的光斑整形為任意光強(qiáng)分布的光斑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，解決了背景技術(shù)中提到的問(wèn)題。

2、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種技術(shù)方案：

3、一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，包括以下具體步驟：

4、s1、構(gòu)建激光光束勻化整形的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括前整形非球面平凹柱透鏡和后整形非球面平凹柱透鏡，能夠?qū)A高斯光斑在x、y方向上分別整形為光強(qiáng)均勻分布的矩形光斑；

5、s2、采用非球面柱透鏡組進(jìn)行整形，給出多組約束條件；

6、s3、根據(jù)能量守恒定律，對(duì)入射光和出射光的能量做歸一化處理；

7、s4、根據(jù)幾何光學(xué)理論進(jìn)行求解面型；

8、s5、使用非線(xiàn)性擬合非球面柱透鏡面型，采用偶次非球面作為目標(biāo)面型，對(duì)圓形高斯光束進(jìn)行x軸、y軸兩個(gè)方向勻化，將求解結(jié)果導(dǎo)入光線(xiàn)追蹤軟件進(jìn)行仿真。

9、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s2中的多組約束條件包括但不限于入射高斯光束的束腰半徑、出射平頂光束在x軸方向上的寬度、與x軸方向垂直的y軸方向的寬度和前整形柱透鏡與后整形柱透鏡之間的距離。

10、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s2中的束腰半徑和光斑寬度按照光強(qiáng)下降至最大光強(qiáng)的1/e2進(jìn)行計(jì)算。

11、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s3中在進(jìn)行歸一化處理時(shí)需要下述公式進(jìn)行操作，即

12、；

13、其中，為入射面上任意一光線(xiàn)的坐標(biāo)值，為與之對(duì)應(yīng)的出射面的坐標(biāo)值，為入射光光強(qiáng)，為出射光光強(qiáng)，為高斯光束的束腰，為平頂光束的半徑。

14、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s3中完成歸一化處理后需要進(jìn)行入射光光束服從高斯分布，其光強(qiáng)分布可以表示為

15、；

16、選擇勻化洛倫茲函數(shù)作為輸出光束，其光強(qiáng)分布可以表示為

17、；

18、其中q表示階數(shù)，階數(shù)q值越大，越接近平頂分布，其數(shù)值一般為50~100。

19、進(jìn)一步地，由以上三個(gè)式子可以得到入射光與出射光的映射關(guān)系為

20、；

21、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s4中進(jìn)行求解面型時(shí)得到非球面柱透鏡的面型、與入射光線(xiàn)入射角的關(guān)系為：

22、；

23、其中分別為前整形透鏡、后整形透鏡的面型函數(shù)、的求導(dǎo)；

24、由snell定律得：；

25、其中d為前整形透鏡和后整形透鏡曲面中心點(diǎn)的距離；

26、非球面整形透鏡組的面型公式為：

27、；

28、；

29、其中r為前整形透鏡和后整形透鏡的半寬，n為透鏡的折射率。

30、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s5中非球面柱透鏡面型公式為：

31、。

32、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s5中的z為曲線(xiàn)坐標(biāo)方程，至為各階系數(shù)，r為曲線(xiàn)上的一點(diǎn)到曲線(xiàn)中心軸的垂直距離，c為曲率半徑的倒數(shù)，k為二次曲面系數(shù)。

33、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s5中圓形高斯光斑束腰半徑為8mm，在距離后整形柱透鏡600mm處將光斑整形為x軸方向半寬為16mm，y軸方向半寬為90mm的矩形光斑。

34、作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟s5中將求解結(jié)果導(dǎo)入光線(xiàn)追蹤軟件進(jìn)行仿真時(shí)，如圖4、圖5、圖6所示，可以看出在光束的整形目標(biāo)方向上，所述光學(xué)系統(tǒng)將該方向上的高斯光束整形為一束近似的平頂光束，綜合來(lái)看，將高斯分布的光斑整形成光強(qiáng)分布均勻的矩形光斑。

35、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，可對(duì)激光單一方向進(jìn)行獨(dú)立整形，而不影響與其垂直方向光斑的原有強(qiáng)度分布。本發(fā)明使用兩組正交放置的非球面柱透鏡組組合，將圓高斯光斑在x、y方向上分別整形為光強(qiáng)均勻分布的矩形光斑，其具有整形效果理想、能量損耗低、使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所得目標(biāo)非球面柱透鏡參數(shù)為偶次非球面面型數(shù)據(jù)，可直接應(yīng)用于透鏡實(shí)際加工。

技術(shù)特征：

1.一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于，包括以下具體步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s2中的多組約束條件包括：入射高斯光束的束腰半徑、出射平頂光束在x軸方向上的寬度、與x軸方向垂直的y軸方向的寬度和前整形柱透鏡與后整形柱透鏡之間的距離。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s2中的束腰半徑和光斑寬度按照光強(qiáng)下降至最大光強(qiáng)的1/e2進(jìn)行計(jì)算。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s3中在進(jìn)行歸一化處理時(shí)需要下述公式進(jìn)行操作，

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s3中完成歸一化處理后需要進(jìn)行入射光光束服從高斯分布，其光強(qiáng)分布表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s4中進(jìn)行求解面型時(shí)得到非球面柱透鏡的面型、與入射光線(xiàn)入射角的關(guān)系為：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s5中非球面柱透鏡面型公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s5中的z為曲線(xiàn)坐標(biāo)方程，至為各階系數(shù)，r為曲線(xiàn)上的一點(diǎn)到曲線(xiàn)中心軸的垂直距離，c為曲率半徑的倒數(shù)，k為二次曲面系數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s5中圓形高斯光斑束腰半徑為8mm，在距離后整形柱透鏡600mm處將光斑整形為x軸方向半寬為16mm，y軸方向半寬為90mm的矩形光斑。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，其特征在于：所述步驟s5中將求解結(jié)果導(dǎo)入光線(xiàn)追蹤軟件進(jìn)行仿真時(shí)，所述光學(xué)系統(tǒng)將該方向上的高斯光束整形為一束近似的平頂光束。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，涉及光束整形技術(shù)領(lǐng)域，包括構(gòu)建激光光束勻化整形的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括前整形非球面平凹柱透鏡和后整形非球面平凹柱透鏡，本發(fā)明提供了一種基于非球面柱透鏡組的光束勻化整形方法，可對(duì)激光單一方向進(jìn)行獨(dú)立整形，而不影響與其垂直方向光斑的原有強(qiáng)度分布。本發(fā)明使用兩組正交放置的非球面柱透鏡組組合，將圓高斯光斑在X、Y方向上分別整形為光強(qiáng)均勻分布的矩形光斑，其具有整形效果理想、能量損耗低、使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明所得目標(biāo)非球面柱透鏡參數(shù)為偶次非球面面型數(shù)據(jù)，可直接應(yīng)用于透鏡實(shí)際加工。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭帥君,郭林,任建華,劉誼元
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京三盟恒業(yè)光電科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9