擴束整形系統(tǒng)設計

1、發(fā)明名稱：基于組合透鏡組的光線擴束與整形系統(tǒng)設計摘要本發(fā)明涉及一種用于光束整形的光學系統(tǒng)，所述的光學系統(tǒng)包含拋物面鏡，凸面鏡，凹面鏡，柱面鏡，且系統(tǒng)具有光軸。利用拋物面良好的無相差特性，將光源置于拋物面的焦點上，將產生平行的入射光線，因為球面鏡本身不可避免的存在球差，凸面鏡產生負的球差，凹面鏡產生正的球差，采用凸凹面鏡膠合的方法可以消除在某個方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面鏡僅在一個方向具有匯聚作用，類似于，用于對光束在一個方向進行壓縮或擴展，采用一組正交的柱面透鏡，用于實現光束不同方向的擠壓。由于柱面鏡不具有空間的的軸對稱特性，將柱面鏡旋轉角度，得到光斑也將旋轉一定的角度，從而滿

2、足不同方向的光斑需求。基于各種透鏡的基本作用，本文得到正方形，橫矩形，豎矩形，圓形，動態(tài)傾斜，以滿足不同的生產需求。權利要求書1. 一種用于光束擴束整形的光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)包含光源，透鏡組，接收器，系統(tǒng)整體具有光軸，其特征在于，所述的透鏡組包含：陣列反射形拋物面，其陣列幾何中心關于光軸對稱，用以將點光源變?yōu)槠叫泄馐M激光的準直特性。球面凸鏡和凹鏡組成的膠合透鏡組合，凸面鏡有負的球差，凹面鏡會有正的球差，利用凹面鏡可以進行補償，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。柱透鏡采用一組正交的空間位置組合，通過日常生活，很容易看出，柱透鏡在沿母線方向沒有放大率，在垂直于母線的方向，由于厚度的變化，對

3、光線有匯聚作用，用于對光束尺寸進行以維壓縮或者放大。2.根據權利要求1所述的陣列拋物面，其特征在于，基于數學模型的創(chuàng)建，得到過焦點的點光源平行出射這一重要結論，用于將點光源轉化為一束平行光線，且根據陣列的形狀，第一次將光源從一個點調節(jié)為陣列形狀。3.根據權利要求1所述的球面凹凸鏡組成的膠合子鏡組，其特征在于，可以在消除軸向球差的優(yōu)勢下將平行光束匯聚到一點，因為球面鏡的軸對稱特性，可以實現以及光斑的尺寸縮放（長寬縮放比例相同），只需要將接收器置于不同的位置，根據相似原理，尺寸動態(tài)變化，用于聚焦。4.根據權利要求1所述的柱面鏡，其特征在于，是一種短焦距鏡頭，沿著一個方向光束尺寸不變，沿著另一個與之

4、垂直方向，表現為光束的壓縮（凸柱面鏡），導致光束最終呈現形式為壓縮或放大（長寬非等比例）5.根據權利要求1所述的膠合鏡組與柱面鏡，其特征在于，柱面鏡位于膠合透鏡組后，幾何距離上等于膠合組合鏡與柱面鏡焦距之和，但是柱面鏡為短焦鏡頭，遠小于膠合鏡組焦距，可以忽略不計。6.根據權利要求1所述的柱透鏡 ，其特征在于，通過繞著Z軸旋轉角度 ，光斑也旋轉 ，通過柱透鏡的旋轉，用于實現光傾斜角度的動態(tài)變化。技術領域【0001】 本發(fā)明涉及激光擴束的非成像光學技術，更具體的說，是一種應用于光源擴束與整形的光學系統(tǒng)。背景技術【0002】 在激光加工的許多應用領域中，光束質量至關重要。激光材料加工，光學信息處理，

5、存儲和記錄，激光的醫(yī)學臨床應用等領域，都對光束質量有著較高的要求。在非線性光學的頻率變換中，要求抽運激光束強度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束尺寸不均勻會導致非線性效應，使輸出光束質量變壞，甚至損壞激光工作物質。激光光束質量不僅影響激光器的整體性能，也極大的影響激光技術水平的發(fā)展?！?】【0003】 通常激光器發(fā)出的激光束的空間分布呈高斯分布，即高斯光束。在很多應用中，希望激光束是均勻分布的，因此，對激光束的光束進行整形變的尤為重要，由此產生了多種激光光束整形技術。近年來，激光光束整形技術稱為研究的熱點。所謂的激光光束整形技術，是指改變入射光光束的強度分布為所需的強度分布，同時調節(jié)

6、相位分布來控制路徑。【2】目前，激光整形技術可分為以下幾類：組合透鏡法，單透鏡法，漸變折射率透鏡法，衍射法，反射法等。 發(fā)明內容【0004】 本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現有激光器光束尺寸不均勻，光束截面形狀單一，光束不均勻導致的非線性效應等缺陷，提供了一種基于組合透鏡的光學機構，用以實現光束的均勻性，光斑尺寸的多樣性，以適用于更多的生產需求?！?005】 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種用于激光整形擴束的光學系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含點光源，拋物面陣列，膠合透鏡，柱透鏡，以及與上述結構連接在一起的封裝結構，且系統(tǒng)整體具有光軸，其中所述透鏡組包含：【0006】 陣列反射形拋物面，其

7、陣列幾何中心關于光軸對稱，用以將點光源變?yōu)槠叫泄馐?，模擬激光的準直特性。【0007】 球面凸鏡和凹鏡組成的膠合透鏡組合，凸面鏡有負的球差，凹面鏡會有正的球差，利用凹面鏡可以進行補償，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好?！?】【0008】 柱透鏡采用一組正交的空間位置組合，通過日常生活，很容易看出，柱透鏡在沿母線方向沒有放大率，在垂直于母線的方向，由于厚度的變化，對光線有匯聚作用，用于對光束尺寸進行壓縮或者放大?！?009】 據本發(fā)明所述的組合透鏡結構，所述共同的焦點位于所述光軸上，且所述共同的焦點，所述光軸與拋物面的焦點互為共軛點?！?010】 實施本發(fā)明的用于激光光束擴束與整形的系統(tǒng)結構，具有

8、以下增益效果：可以使光斑光束尺寸更加均勻，更好的避免非線性效應，減少對激光器的損壞；通過柱透鏡的一維調節(jié)作用，使的光斑在證均勻的前提下，有更多的形狀。附圖說明【0011】 圖1為反射面的數學模型【0012】 圖2是單個折射球面成像的示意圖【0013】 圖3是單個折射球面的像差圖【0014】 圖4是柱面鏡焦距的計算原理圖【0015】 圖5是系統(tǒng)的整體結構圖【0016】 圖6是光學系統(tǒng)結構參數圖【0017】 圖7是凸透鏡像差圖【0018】 圖8是凹凸鏡面膠合消球差示意圖【0019】 圖9是系統(tǒng)光線追跡圖【0020】 圖10是接收器位置與圖例對照表【0021】 圖11是正方形光斑模擬圖樣【0022】

9、 圖12是y軸方向拉伸后豎直矩形光斑圖【0023】 圖13是模擬結果圖【0024】 圖14是元件8聚焦后的圓形光斑圖【0025】 圖15是包圍能量圖【0026】 圖16是圓光斑x軸拉伸后的水平矩形光斑圖【0027】 圖17是元件4旋轉45°后示意圖【0028】 圖18是元件4旋轉45°后對應光斑圖具體實施方式【0029】 為了使本發(fā)明實現的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡釋本發(fā)明。【0030】 首先在于光源的選擇上，考慮到用于模擬，選擇一種比較理想的光源點光源，可以忽略其空間尺寸對模擬結果的影響，但在實際應用中，光源的實際尺寸不可忽

10、略，所以必須采用一種方法使得點光源擴束為一束平行光束（平行光易于取得，且自然光通常為平行光，接近于實際）?！?031】 單個點光源設置光通量為100lm，做4*4的陣列，總的出射光通量為1600lm,滿足要求?！?032】 將點光源所在的點取做坐標原點O,且曲線L位于范圍內?！?033】 設L上任意一點，點O發(fā)出的某條光線經過點M反射后是一條平行于x周的直線 MS。又設過點M的切線AT與x軸的夾角為 ，【0034】 根據假設， ,另一方面， 是入射角的余角， 是反射角的余角，于是由光學中的反射定律有 ?！?】從而【0035】 (1)【0036】 又 ， (2)【0037】 而 (3)【0038

11、】 于是得到微分方程： (4)【0039】 把x看作因變量，y看作自變量，當 時，上式即位 (5)【0040】 令 ，則 ， ，帶入上式得到： (6)【0041】 這是一個變量分離的一階微分方程，最終她的解為： 【0042】 這是一個以x為軸，焦點在原點的拋物線方程。所以將拋物線繞軸旋轉，形成旋轉拋物面，當點光源位于其焦點時，可以將點光源轉換為平行光出射，并且平行光比激光更為準直，發(fā)散角幾乎為0°?！?043】 接著設計聚焦透鏡的結構，首先從單個折射球面鏡入手【0044】 如圖2所示，在 中，應用正選定理有 (7)【0045】 在點E，由折射定律得 （8）【0046】 由圖可知 （9

12、）【0047】 即 （10）【0048】 同樣，在 中應用正弦定理有 （11）【0049】 化簡后可以得到像方截距為 （12）【0050】 由公式可知，當L為定值時， 為U的函數。也就是說，若軸上點A發(fā)出同心光束，由于不同的U角值，經過單個折射球面后將對應不同的值，如圖3所示這種成像缺陷稱為相差，具體為軸向相差?！?051】 利用單個折射球面的成像關系式，經過一系列推導可以得到一個重要的表達式 【5】 （13）【0052】 設凸透鏡的折射率為 ，左右介質的折射率分別為 ，帶入上式 （14） (15)【0053】 兩式相加，并令 得到 （16）【0054】 由此，只要知道材料折射率和球面的半徑，

13、便可以得到我們想要的焦距。通過式(12)看出凸面鏡形成負的軸向相差，凹面鏡形成正的球面相差，如圖8所示兩球面相互抵消相差即可達到很好的聚焦效果?！?055】從日常生活中，我們知道，柱面鏡具有一個方向放大或縮小，另一個方向保持不變的特性，首先如圖4所示【0056】 仿照傅里葉光學中凸鏡的作用函數計算方法，可以得到： （17）【0057】 將 泰勒展開取其前兩項（做傍軸近似，y值較小，高次項對上式影響不大）近似為 （18）【0058】 柱透鏡的振幅傳遞函數可以表示為 （19）【0059】 令 即可得到： （20）【0060】 Such a lens will transform a normall

14、y incident wave into a converging cylindrical wave, bringing light to a line focus at distance behind the lens.【6】【0061】 利用光路的可逆性原理，將柱透鏡置于上一級透鏡焦點附近，本設計采用小曲率半徑的透鏡，R值略小于光束尺寸，可以理解為點光源再次從柱透鏡焦點出發(fā)。【0062】 根據以上理論推導，確定相關器件的參數，如圖6所示，繪制光路，如圖5所示?！?063】 開啟光線追跡，如圖9所示，手動調節(jié)柱透鏡曲率半徑，確保相應位置的光斑形狀與照度均勻度滿足設計要求。接收器位置如圖10所

15、示【0064】 如所有的光斑示意圖，其xy方向最大尺寸為4mm,滿足設計要求【0065】 如圖13所示，均勻度為【0066】 同時，按照圖15所示，其包圍能量分布圖所示，0到2mm,包圍能量與半徑近似為二次拋物關系，設半徑為r,光斑面積為 ，假設均勻度很高，那么包圍能量也應滿足二次拋物關系，從另一個角度說明均勻度較好。參考文獻【1】 于陶然，王超.二維光束整形系統(tǒng)設計與仿真【J】.光學技術.2015(11):1-6【2】 葉錦函，郝曉劍.基于ZEMAX的激光光束整形技術實驗研究【J】.工程與驗.2010(10):2-5【3】 趙陽.深紫外光刻復雜光學照明系統(tǒng)設計【D】.中國科學院研究生院.2010【4】 同濟大學數學系.高等數學(上).第七版本.北京：高等教育出版社，2014.7.310頁【5】 葉玉堂,肖峻.光學教程.第二版.北京：清華大學出版社，2011.9.11頁【6】 Joseph W.Groduction to Fourier Optics.pp.96-100說明書附圖圖1 反射面的