CN108710167B - 一种校正元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校正元件，包括：第一弧面，所述第一弧面用于校正像散；以及第二弧面，所述第二弧面用于校正热焦距；其中，所述校正元件能够根据所述第一面与所述第二面同时校正像散和热焦距。本发明公开的校正元件能够同时实现像散和热焦距的校正，且该校正元件结构简单，稳定性好，体积小。

Description

一种校正元件

技术领域

本发明涉及光学校正领域，具体涉及一种校正元件。

背景技术

通常情况下，光在板条介质内的zigzag光路补偿了厚度方向的温度梯度，使两个方向的热焦距具有较大差距，为了减小热焦距会采取一些措施，但是减小热焦距的同时会出现一些新的问题，例如会出现较大的像散畸变。

现有技术中，为了校正像散及热焦距，会采用传统单透镜及组合使用放大器的方式，进行热焦距校正，也可以采用柱面或柱面扩束系统的方式，校正激光光束沿一个方向的热焦距或像散。

但是这两种方法均不能同时实现热焦距和像散的校正，而且利用以上方法的组合，虽然可以同时实现热焦距和像散的校正，但系统复杂，稳定性差，体积较大。

因此，需要一种结构简单、体积小，且能够同时校正热焦距和像散的校正元件。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单，能够同时校正热焦距和像散的校正元件。

本发明的实施例提供一种校正元件，包括：

第一弧面，所述第一弧面用于校正像散；以及，

第二弧面，所述第二弧面用于校正热焦距；

其中，所述校正元件能够根据所述第一面与所述第二面同时校正像散和热焦距。

进一步地，所述第一弧面为柱面，所述第二弧面为球面。

进一步地，根据波前拟合系数计算得到所述球面的曲率半径。

进一步地，所述根据波前拟合系数计算得到所述球面的曲率半径包括：

根据波前拟合泽尼克系数得到畸变系数W₂₀；

利用所述畸变系数W₂₀得到在归一化口径内由于聚焦引起的光波前误差Δ_foc：

Δ_foc＝W₂₀

根据下式计算在畸变波前分解中标准球面的半径R_cir：

其中，ω_mea为测量区域的口径，且满足ω_mea＝Cω_act，C为约束比例，ω_act为实际口径；

根据下式计算所述球面的曲率半径r_cal：

其中，n为所述校正元件的介质折射率。

进一步地，根据波前拟合系数计算得到所述柱面的曲率半径。

进一步地，所述根据波前拟合系数计算得到所述柱面的曲率半径包括：

根据波前拟合泽尼克系数得到畸变系数W₂₂；

利用所述畸变系数W₂₂得到在归一化孔径内由像散引入的光波前误差Δ_ast：

Δ_ast＝W₂₂

根据下式计算所述柱面的曲率半径r_cyl：

其中，n为所述校正元件的介质折射率，ω_mea为测量区域的口径。

进一步地，所述柱面的曲率半径和所述球面的曲率半径是固定值。

进一步地，所述柱面的曲率半径和所述球面的曲率半径是动态可变的。

进一步地，所述校正元件用于校正板条激光放大器输出的光束，和/或用于校正激光二极管输出的光束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：

(1)本发明公开的校正元件能够同时实现像散和热焦距的校正，且该校正元件结构简单，稳定性好，体积小。

(2)可以利用波前拟合系数，直接计算得到校正元件两个弧面的曲率半径，计算简单。

(3)使用动态控制系统，可以提高迭代速度，优化输出结果。

(4)用途广泛，不仅可以用于校正板条激光放大器输出的光束，还可以用于校正激光二极管输出的光束。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明实施例提供的校正元件的结构示意图；以及，

图2为畸变波前分解示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1所示，本发明提供了一种校正元件100，包括第一弧面11和第二弧面12。第一弧面11可以用于校正像散，第二弧面12可以用于校正热焦距，这样，把用于校正像散的第一弧面11和用于校正热焦距的第二弧面12设置在同一校正元件100上，就可以同时实现像散和热焦距的校正。

在本实施例中，第一弧面11的形状可以根据校正元件100放置的方向以及波前拟合系数得到。第二弧面12的形状可以根据第一弧面11消除像散后的热焦距方向设计，两者具体的曲率半径可以根据波前拟合系数计算得到。图1示出的校正元件100，两个弧面可以沿着同一方向凸起。当然，第一弧面11和第二弧面12的形状并不限定于均向右凸起，需要根据实际情况设置第一弧面11和第二弧面12的形状。

如图1所示的校正元件100，第一弧面11可以是柱面，第二弧面12可以是球面。而且，柱面或球面的相关参数，例如曲率半径，可以根据波前拟合系数，直接计算得到，计算简单。

在进一步较佳实施例中，当根据波前拟合系数计算出的结果，使用现有的加工技术无法得到所需的校正元件100，即现有的加工能力无法制作出满足要求的第一弧面11或第二弧面12，则可以利用组合透镜或组合面的方法，得到有效第一弧面11的焦距或有效第二弧面12的焦距，有效第一弧面11或有效第二弧面12指能够依靠现有的加工能力制作出第一弧面11或第二弧面12的形状。

在本实施例中，校正元件100可以是光学加工得到的固定元件，即柱面的曲率半径和球面的曲率半径是固定值，是经过加工后固定不变。当然在其他实施例中，校正元件100也可以是动态可变的，即柱面的曲率半径和所述球面的曲率半径是动态可变的，例如，空间光调制器(SLM)，可以实现输出激光的动态波前控制。

由于板条放大器引入的像差空间频率较低，而且主要以畸变低阶项离焦与像散为主，其热聚焦效应相对传统棒状增益介质要小很多，像散项中0度像散所占比例较高，所以如图1所示的校正元件100可以用于校正使用板条激光放大器的输出光束。当然，在其它需要校正像散和离焦，或单独需要像散的设备都可以应用，例如，校正元件100可以校正激光二极管输出的光束，即利用柱面消除快、慢轴的像散，利用球面实现准直。

在本实施例中，可以根据光波前多项式拟合系数与校正光学元件结构参数之间的关系，以及根据输出光波前用多项式拟合后，多项式系数与像差特性的对应关系，计算柱面的曲率半径和球面的曲率半径。

一阶和三阶波前畸变可以用Zernike多项式的前9项表示为

将公式(1)表示为与视场无关的函数：

此光波前还可以用幂函数表示，将公式(1)分解再组合后以幂函数表示形式的波前分布为：

利用欧拉公式

整理后，公式(3)可以表示表示为幂函数形式：

这样，对比公式(2)和公式(4)得到Zernike多项式系数和幂函数系数的对应关系如下表所示：

其中，确定离焦项符号时，需要选取的符号使得系数绝对值最小，而像散项符号则与离焦项符号相反。W₂₀表示光波前的聚焦项，W₂₂表示光波前的像散项，与板条放大器输出的主要波前畸变对应。

下面结合附图2，具体说明如何根据波前拟合系数计算柱面的曲率半径和球面的曲率半径。

首先，详细说明球面的曲率半径的计算过程，如图2所示，由几何光学理论可知，聚焦光波前经过透镜准直可以实现平面波输出，像散波前可以通过柱面将子午和弧矢面焦点成像在同一位置进行校正。被测光波前可以分解为标准球面21相对于理想平面22的误差Δ_foc和标准球面21相对于实际波面23的误差Δ_ab，即波前畸变Δ表示为：

Δ＝Δ_foc+Δ_ab (5)

而且随着光传输距离的改变，Δ_foc也会发生改变，但是在波面23传输过程中，无论在何处测量Δ_ab，其值都不会发生改变。光波前的聚焦项系数表示其聚焦能力，在归一化口径内由于聚焦引起的光波前误差Δ_foc可以表示为

Δ_foc＝W₂₀ (6)

公式(6)可以根据表中W₂₀与Zernike系数的对应关系，利用测量波前拟合系数Z₁、Z₂、Z₆、Z₇得到。

由图2所示的几何关系可知标准球面21的半径R_cir为

公式(7)的近似条件为Δ² _foc≈0。需要注意是，在包含缩束比例C的波前测试光学系统中，测量区域的口径ω_mea与实际口径ω_act之间的关系为

ω_mea＝Cω_act (8)

对曲率半径为R的球面波，可等效为平面波经焦距为f＝R的透镜聚焦。根据薄透镜有效焦距公式r＝(n-1)f即可得到校正元件的球面的曲率半径，其中n为校正元件100的介质折射率。因此计算出的球面的曲率半径r为

根据(7)(8)可知，计算出的球面的曲率半径r_cal与实际校正元件100的球面的曲率半径r_cal之间满足关系：

根据式(6)～(9)，计算出的校正元件100曲率半径为

下面详细说明柱面的曲率半径的计算过程。

像散通过将子午面焦点成像至弧矢面焦点位置进行校正，在归一化孔径内由像散引入的光波前误差Δ_ast可表示为：

Δ_ast＝W₂₂ (12)

由图2中的几何关系可得

其中，R_cyl为在光波前中分解出的像散项的等效的波前曲率半径(实际是一个柱面)。

根据薄透镜有效焦距公式得到校正元件100的柱面的曲率半径r_cyl

其中，n为所述校正元件的介质折射率，ω_mea为测量区域的口径。

这样，根据上述计算过程可知，校正元件100的参数设计可以利用畸变系数W₂₀和W₂₂以及利用波前拟合Zernike系数计算得到。

Zernike多项式与Seidel像差的对应光学关系如下表所示。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

(1)本发明公开的校正元件能够同时实现像散和热焦距的校正，且该校正元件结构简单，稳定性好，体积小。

(2)可以利用波前拟合系数，直接计算得到校正元件两个弧面的曲率半径，计算简单。

(3)使用动态控制系统，可以提高迭代速度，优化输出结果。

(4)用途广泛，不仅可以用于校正板条激光放大器输出的光束，还可以用于校正激光二极管输出的光束。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种校正元件，包括：

第一弧面，所述第一弧面用于校正像散；以及，

第二弧面，所述第二弧面用于校正热焦距；

其中，所述第一弧面与所述第二弧面的曲率半径根据波前拟合系数计算得到；所述校正元件能够根据所述第一弧面与所述第二弧面同时校正像散和热焦距；

所述第一弧面的曲率半径根据波前拟合系数计算得到，包括：

根据波前拟合泽尼克系数得到畸变系数W₂₂；

利用所述畸变系数W₂₂得到在归一化孔径内由像散引入的光波前误差Δ_ast：

Δ_ast＝W₂₂

根据下式计算所述第一弧面的曲率半径r_cyl：

其中，n为所述校正元件的介质折射率，ω_mea为测量区域的口径；

所述第二弧面的曲率半径根据波前拟合系数计算得到，包括：

根据波前拟合泽尼克系数得到畸变系数W₂₀；

利用所述畸变系数W₂₀得到在归一化口径内由于聚焦引起的光波前误差Δ_foc：

Δ_foc＝W₂₀

根据下式计算在畸变波前分解中标准球面的半径R_cir：

其中，ω_mea为测量区域的口径，且满足ω_mea＝Cω_act，C为约束比例，ω_act为实际口径；

根据下式计算所述第二弧面的曲率半径r_cal：

其中，n为所述校正元件的介质折射率。

2.如权利要求1所述的校正元件，其特征在于，所述第一弧面为柱面，所述第二弧面为球面。

3.如权利要求1-2任一项所述的校正元件，其特征在于，所述第一弧面的曲率半径和所述第二弧面的曲率半径是固定值。

4.如权利要求1-2任一项所述的校正元件，其特征在于，所述第一弧面的曲率半径和所述第二弧面的曲率半径是动态可变的。

5.如权利要求1-2任一项所述的校正元件，其特征在于，所述校正元件用于校正板条激光放大器输出的光束，和/或用于校正激光二极管输出的光束。

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