扩束整形系统设计

1、发明名称：基于组合透镜组的光线扩束与整形系统设计摘要本发明涉及一种用于光束整形的光学系统，所述的光学系统包含抛物面镜，凸面镜，凹面镜，柱面镜，且系统具有光轴。利用抛物面良好的无相差特性，将光源置于抛物面的焦点上，将产生平行的入射光线，因为球面镜本身不可避免的存在球差，凸面镜产生负的球差，凹面镜产生正的球差，采用凸凹面镜胶合的方法可以消除在某个方向上消除球差，使得光束的聚焦效果更好；柱面镜仅在一个方向具有汇聚作用，类似于，用于对光束在一个方向进行压缩或扩展，采用一组正交的柱面透镜，用于实现光束不同方向的挤压。由于柱面镜不具有空间的的轴对称特性，将柱面镜旋转角度，得到光斑也将旋转一定的角度，从而满

2、足不同方向的光斑需求。基于各种透镜的基本作用，本文得到正方形，横矩形，竖矩形，圆形，动态倾斜，以满足不同的生产需求。权利要求书1. 一种用于光束扩束整形的光学系统，所述光学系统包含光源，透镜组，接收器，系统整体具有光轴，其特征在于，所述的透镜组包含：阵列反射形抛物面，其阵列几何中心关于光轴对称，用以将点光源变为平行光束，模拟激光的准直特性。球面凸镜和凹镜组成的胶合透镜组合，凸面镜有负的球差，凹面镜会有正的球差，利用凹面镜可以进行补偿，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。柱透镜采用一组正交的空间位置组合，通过日常生活，很容易看出，柱透镜在沿母线方向没有放大率，在垂直于母线的方向，由于厚度的变化，对

3、光线有汇聚作用，用于对光束尺寸进行以维压缩或者放大。2.根据权利要求1所述的阵列抛物面，其特征在于，基于数学模型的创建，得到过焦点的点光源平行出射这一重要结论，用于将点光源转化为一束平行光线，且根据阵列的形状，第一次将光源从一个点调节为阵列形状。3.根据权利要求1所述的球面凹凸镜组成的胶合子镜组，其特征在于，可以在消除轴向球差的优势下将平行光束汇聚到一点，因为球面镜的轴对称特性，可以实现以及光斑的尺寸缩放（长宽缩放比例相同），只需要将接收器置于不同的位置，根据相似原理，尺寸动态变化，用于聚焦。4.根据权利要求1所述的柱面镜，其特征在于，是一种短焦距镜头，沿着一个方向光束尺寸不变，沿着另一个与之

4、垂直方向，表现为光束的压缩（凸柱面镜），导致光束最终呈现形式为压缩或放大（长宽非等比例）5.根据权利要求1所述的胶合镜组与柱面镜，其特征在于，柱面镜位于胶合透镜组后，几何距离上等于胶合组合镜与柱面镜焦距之和，但是柱面镜为短焦镜头，远小于胶合镜组焦距，可以忽略不计。6.根据权利要求1所述的柱透镜 ，其特征在于，通过绕着Z轴旋转角度 ，光斑也旋转 ，通过柱透镜的旋转，用于实现光倾斜角度的动态变化。技术领域【0001】 本发明涉及激光扩束的非成像光学技术，更具体的说，是一种应用于光源扩束与整形的光学系统。背景技术【0002】 在激光加工的许多应用领域中，光束质量至关重要。激光材料加工，光学信息处理，

5、存储和记录，激光的医学临床应用等领域，都对光束质量有着较高的要求。在非线性光学的频率变换中，要求抽运激光束强度均匀；在高功率固体激光器和放大器中，输入光束尺寸不均匀会导致非线性效应，使输出光束质量变坏，甚至损坏激光工作物质。激光光束质量不仅影响激光器的整体性能，也极大的影响激光技术水平的发展。【1】【0003】 通常激光器发出的激光束的空间分布呈高斯分布，即高斯光束。在很多应用中，希望激光束是均匀分布的，因此，对激光束的光束进行整形变的尤为重要，由此产生了多种激光光束整形技术。近年来，激光光束整形技术称为研究的热点。所谓的激光光束整形技术，是指改变入射光光束的强度分布为所需的强度分布，同时调节

6、相位分布来控制路径。【2】目前，激光整形技术可分为以下几类：组合透镜法，单透镜法，渐变折射率透镜法，衍射法，反射法等。 发明内容【0004】 本发明要解决的技术问题在于，针对现有激光器光束尺寸不均匀，光束截面形状单一，光束不均匀导致的非线性效应等缺陷，提供了一种基于组合透镜的光学机构，用以实现光束的均匀性，光斑尺寸的多样性，以适用于更多的生产需求。【0005】 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于激光整形扩束的光学系统，所述系统包含点光源，抛物面阵列，胶合透镜，柱透镜，以及与上述结构连接在一起的封装结构，且系统整体具有光轴，其中所述透镜组包含：【0006】 阵列反射形抛物面，其

7、阵列几何中心关于光轴对称，用以将点光源变为平行光束，模拟激光的准直特性。【0007】 球面凸镜和凹镜组成的胶合透镜组合，凸面镜有负的球差，凹面镜会有正的球差，利用凹面镜可以进行补偿，抵消球差，使得光束的聚焦效果更好。【3】【0008】 柱透镜采用一组正交的空间位置组合，通过日常生活，很容易看出，柱透镜在沿母线方向没有放大率，在垂直于母线的方向，由于厚度的变化，对光线有汇聚作用，用于对光束尺寸进行压缩或者放大。【0009】 据本发明所述的组合透镜结构，所述共同的焦点位于所述光轴上，且所述共同的焦点，所述光轴与抛物面的焦点互为共轭点。【0010】 实施本发明的用于激光光束扩束与整形的系统结构，具有

8、以下增益效果：可以使光斑光束尺寸更加均匀，更好的避免非线性效应，减少对激光器的损坏；通过柱透镜的一维调节作用，使的光斑在证均匀的前提下，有更多的形状。附图说明【0011】 图1为反射面的数学模型【0012】 图2是单个折射球面成像的示意图【0013】 图3是单个折射球面的像差图【0014】 图4是柱面镜焦距的计算原理图【0015】 图5是系统的整体结构图【0016】 图6是光学系统结构参数图【0017】 图7是凸透镜像差图【0018】 图8是凹凸镜面胶合消球差示意图【0019】 图9是系统光线追迹图【0020】 图10是接收器位置与图例对照表【0021】 图11是正方形光斑模拟图样【0022】

9、 图12是y轴方向拉伸后竖直矩形光斑图【0023】 图13是模拟结果图【0024】 图14是元件8聚焦后的圆形光斑图【0025】 图15是包围能量图【0026】 图16是圆光斑x轴拉伸后的水平矩形光斑图【0027】 图17是元件4旋转45°后示意图【0028】 图18是元件4旋转45°后对应光斑图具体实施方式【0029】 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐释本发明。【0030】 首先在于光源的选择上，考虑到用于模拟，选择一种比较理想的光源点光源，可以忽略其空间尺寸对模拟结果的影响，但在实际应用中，光源的实际尺寸不可忽

10、略，所以必须采用一种方法使得点光源扩束为一束平行光束（平行光易于取得，且自然光通常为平行光，接近于实际）。【0031】 单个点光源设置光通量为100lm，做4*4的阵列，总的出射光通量为1600lm,满足要求。【0032】 将点光源所在的点取做坐标原点O,且曲线L位于范围内。【0033】 设L上任意一点，点O发出的某条光线经过点M反射后是一条平行于x周的直线 MS。又设过点M的切线AT与x轴的夹角为 ，【0034】 根据假设， ,另一方面， 是入射角的余角， 是反射角的余角，于是由光学中的反射定律有 。【4】从而【0035】 (1)【0036】 又 ， (2)【0037】 而 (3)【0038

11、】 于是得到微分方程： (4)【0039】 把x看作因变量，y看作自变量，当 时，上式即位 (5)【0040】 令 ，则 ， ，带入上式得到： (6)【0041】 这是一个变量分离的一阶微分方程，最终她的解为： 【0042】 这是一个以x为轴，焦点在原点的抛物线方程。所以将抛物线绕轴旋转，形成旋转抛物面，当点光源位于其焦点时，可以将点光源转换为平行光出射，并且平行光比激光更为准直，发散角几乎为0°。【0043】 接着设计聚焦透镜的结构，首先从单个折射球面镜入手【0044】 如图2所示，在 中，应用正选定理有 (7)【0045】 在点E，由折射定律得 （8）【0046】 由图可知 （9

12、）【0047】 即 （10）【0048】 同样，在 中应用正弦定理有 （11）【0049】 化简后可以得到像方截距为 （12）【0050】 由公式可知，当L为定值时， 为U的函数。也就是说，若轴上点A发出同心光束，由于不同的U角值，经过单个折射球面后将对应不同的值，如图3所示这种成像缺陷称为相差，具体为轴向相差。【0051】 利用单个折射球面的成像关系式，经过一系列推导可以得到一个重要的表达式 【5】 （13）【0052】 设凸透镜的折射率为 ，左右介质的折射率分别为 ，带入上式 （14） (15)【0053】 两式相加，并令 得到 （16）【0054】 由此，只要知道材料折射率和球面的半径，

13、便可以得到我们想要的焦距。通过式(12)看出凸面镜形成负的轴向相差，凹面镜形成正的球面相差，如图8所示两球面相互抵消相差即可达到很好的聚焦效果。【0055】从日常生活中，我们知道，柱面镜具有一个方向放大或缩小，另一个方向保持不变的特性，首先如图4所示【0056】 仿照傅里叶光学中凸镜的作用函数计算方法，可以得到： （17）【0057】 将 泰勒展开取其前两项（做傍轴近似，y值较小，高次项对上式影响不大）近似为 （18）【0058】 柱透镜的振幅传递函数可以表示为 （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，将柱透镜置于上一级透镜焦点附近，本设计采用小曲率半径的透镜，R值略小于光束尺寸，可以理解为点光源再次从柱透镜焦点出发。【0062】 根据以上理论推导，确定相关器件的参数，如图6所示，绘制光路，如图5所示。【0063】 开启光线追迹，如图9所示，手动调节柱透镜曲率半径，确保相应位置的光斑形状与照度均匀度满足设计要求。接收器位置如图10所

15、示【0064】 如所有的光斑示意图，其xy方向最大尺寸为4mm,满足设计要求【0065】 如图13所示，均匀度为【0066】 同时，按照图15所示，其包围能量分布图所示，0到2mm,包围能量与半径近似为二次抛物关系，设半径为r,光斑面积为 ，假设均匀度很高，那么包围能量也应满足二次抛物关系，从另一个角度说明均匀度较好。参考文献【1】 于陶然，王超.二维光束整形系统设计与仿真【J】.光学技术.2015(11):1-6【2】 叶锦函，郝晓剑.基于ZEMAX的激光光束整形技术实验研究【J】.工程与验.2010(10):2-5【3】 赵阳.深紫外光刻复杂光学照明系统设计【D】.中国科学院研究生院.2010【4】 同济大学数学系.高等数学(上).第七版本.北京：高等教育出版社，2014.7.310页【5】 叶玉堂,肖峻.光学教程.第二版.北京：清华大学出版社，2011.9.11页【6】 Joseph W.Groduction to Fourier Optics.pp.96-100说明书附图图1 反射面的