CN106168713B - 一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头 - Google Patents

一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头，该整形镜头从光束输入方依次包括一第一透镜，一第二透镜。第一透镜为凸平非球面透镜，透镜前表面为非球面，后表面为平面，第二透镜为凹凸双面非球面负透镜，包括前非球面和后非球面，均凸向光束输出方，第一透镜和第二透镜均为SK2光学玻璃。双非球面透镜镜头针对光强分布为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，高斯光斑半径
Figure 211743DEST_PATH_IMAGE002
mm的红光光束进行整形，I 0为中心光强，出射光束的辐照光强H=0.1 I 0。

Description

一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头
技术领域
本发明属于非成像光学和激光光束整形技术领域，特别涉及一种把光强高斯分布、光斑半径7mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36mm的平顶光束的非球面透镜整形镜头。
背景技术
在激光冲击加工、激光清洗、激光全息、激光医疗、激光测距与雷达等应用中，希望作用光束为横截面内光强均匀分布的平顶光束，然而激光器发出的光束大都是光强非均匀分布的高斯光束。把高斯光束变换为平顶光束的主要手段就是依靠一套整形系统，这些整形系统主要包括反高斯分布吸收的滤光片整形系统、双折射率透镜组整形系统、微透镜阵列整形系统、衍射光学元件整形系统、液晶空间光调制器整形系统、全息滤波器整形系统、振幅调制光栅整形系统、非球面透镜组整形系统。
在以上整形系统中，非球面透镜整形系统具有结构简单、整形效率高、损伤阂值高、易于实现等优点, 具有重要的工程应用价值。非球面透镜整形系统可以只有一个单透镜、也可以有两个或者多个透镜组成。Yamamota设计了一种整形透镜，能把半导体激光器产生的椭圆形光束整形为圆形的轴对称光束，并应用到激光打印机中。Banton和Harrigan设计出了双片非球面透镜整形系统，把光强高斯分布的激光光束转换为光束边缘光强稍强的圆形平顶光束。双片非球面透镜整形系统，第一片透镜对通过的光束能量进行重新分配，以改变光束的光强分布，第二片非球面镜把光束重新校准平行出射。由于双片非球面透镜系统的每一片透镜中一个面都是平面，所以，可以把双片非球面透镜简化成一片透镜，此片透镜的前后两个面都是非球面，分别代替双透镜系统中两片透镜实现对光束的匀化和准直。
本发明不仅涉及到把光强高斯分布的光束转换为光强均匀分布的平顶光束，还涉及到较大倍率的扩束和准直的问题，把半径为7mm高斯光束变换为半径为36mm的平顶光束，且平行出射。
发明内容
本发明目的在于提供一种即能扩束又能把光强非均匀分布变为光强均匀分布的双透镜整形镜头。
本发明是针对光强分布为
Figure 76168DEST_PATH_IMAGE001
、高斯光斑半径y0=7mm的平行红光光束进行整形， I 0为中心光强，其整形目标是把入射光束整形为光斑半径36mm的平顶出射光束，且平行出射。
本发明公开一种激光光束整形镜头，其从光束入射方到光束出射方依次包括一第一透镜，一第二透镜。第一透镜为凸平的非曲面透镜，前表面为非球面，后表面为平面，其材质为SK2玻璃，第二透镜为凹凸非球面透镜，包括第一非球面和第二非球面，其材质亦为SK2玻璃。
相较现有的技术，本发明光束整形镜头，不仅涉及到光强的重新分布，还涉及到较大倍率的扩束和准直的问题。镜头采用非球面玻璃镜片，保证了其较好的通光性能。其输出光强为中心稍有凹陷的平顶分布，适合作为泵浦光，以抵消中心区域高峰值光强的激光光束很可能破坏晶体介质的问题。
附图说明
图1是本发明双非球面透镜整形镜头的结构形状示意图；
图2是本发明双非球面透镜整形镜头的结构参数标示示意图；
图3是本发明双非球面透镜整形镜头的光束变换过程二维光路模拟图；
图4是本发明双非球面透镜整形镜头在其光束输出面上的一维光强分布模拟图
图中：1.第一透镜，2.第二透镜，3.光束输出面，11.第一透镜前表面，12.第一透镜后表面，21.第二透镜前表面，22.第二透镜后表面
具体实施方式
请参阅图1，本发明双非球面透镜整形镜头自光束入射方至光束出射方依次包括一第一透镜，一第二透镜。其中x轴代表光束整形镜头的光轴，使用时光束输入位置的第一透镜1为光线首先接触的透镜。第一透镜1为凸平非球面透镜，包括前表面11为非球面和后表面12为平面，前表面11凸向光束输入方。第二透镜2为凹凸双面非球面负透镜，包括前非球面21和后非球面22，其中前非球面21和后非球面22均凸向光束输出方。第一透镜和第二透镜均为以光轴x对称的形状。
第一透镜1和第二透镜均采用光学玻璃，本示例优选SK2玻璃，其对红光的折射率为1.601681。第一透镜1通光口径是2×9.0176mm，第二透镜2通光口径是2×51.1617mm。第一透镜的侧面是底面半径为9.0176mm圆柱面，第二透镜的侧面是底面半径为51.1617mm圆柱面。
双非球面透镜镜头针对光强分布为
Figure 524467DEST_PATH_IMAGE002
的红光光束进行整形， I 0为中心光强，高斯光斑半径y0=7mm，出射光束的辐照光强近似H=0.1 I 0，出射光束的光斑半径36mm。
第一透镜1和第二透镜2的前后表面均满足以下偶次非球面表达式：
Figure 586095DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中
Figure 512463DEST_PATH_IMAGE004
为非球面上某点的垂轴高度，x轴为光轴，也为镜头的对称轴，上式中的x值以各非球面11、12、21、22与光轴交点为起点，沿光轴方向的轴向值，也称为镜面深度, 其中，非球面11、21、22是通过以上公式确定非球面的形状；C为非球面的曲率，a 2为圆锥常数，a 2j为非球面形变系数，优选的11、12、21、22面的非球面系数a 2、a 4、a 6、a 8取表1中的数值
Figure 857994DEST_PATH_IMAGE005
优选的，该双透镜镜头系统第一表面（11）顶点与第二表面（12）顶点之间的距离为d 1 ，第二表面（12）顶点与第三表面（21）顶点之间的距离为d 2 ，第三表面（21）顶点与第四表面（22）顶点之间的距离为d 3，第四表面（22）顶点距输出面距离d 4，这些参数的取值列在表2中
Figure 759085DEST_PATH_IMAGE006

Claims (3)

1.一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头，其特征在于：一第一透镜前表面(11)为凸非球面，第一透镜后表面(12)为平面，第一透镜前表面(11)凸向光束输入方，所述第一透镜前表面(11)为第一透镜靠近光束输入方的表面，所述第一透镜后表面(12)为第一透镜靠近光束输出方的表面，侧表面为圆柱面，一第二透镜前表面(21)和第二透镜后表面(22)均为非球面，所述第二透镜前表面(21)为第二透镜靠近光束输入方的表面，所述第二透镜后表面(22)为第二透镜靠近光束输出方的表面，侧表面为圆柱面；双非球面透镜整形镜头针对光强分布为
Figure FDA0002864069950000011
的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径y0＝7mm，出射光束的辐照光强H＝0.1I0；
该双非球面透镜整形镜头中透镜的前后表面都用以下方程描述：
Figure FDA0002864069950000012
其中
Figure FDA0002864069950000013
为非球面某点的垂轴高度，C为非球镜面的曲率，a2为圆锥常数，a2j为非球面形变系数，x轴为光轴，也为整个系统的对称轴；该双非球面透镜整形镜头第一透镜前表面(11)顶点与第一透镜后表面(12)顶点之间的距离为d1，第一透镜后表面(12)顶点与第二透镜前表面(21)顶点之间的距离为d2，第二透镜前表面(21)顶点与第二透镜后表面(22)顶点之间的距离为d3，第二透镜后表面(22)顶点距输出面距离d4，这些参数的取值列在表1和表2中
Figure FDA0002864069950000014
Figure FDA0002864069950000021
Figure FDA0002864069950000022
2.根据权利要求1所述的一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头，其特征在于：第一透镜和第二透镜所用材料为对红光折射率为1.601681的SK2玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种用于高斯光束变换为平顶光束的双非球面透镜整形镜头，其特征在于：第一透镜(1)通光口径是2×9.0176mm，第二透镜(2)通光口径是2×51.1617mm。
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