CN109001911B - 一种激光传能光学系统及其建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光传能光学系统及其建立方法，基于改进的投影光学系统，能够突破传统投影系统的投影距离较短的局限，实现激光能量长距离传输。本发明采用投影光学系统，可以将激光光斑等比例放大，实现方形甚至任意形状的光斑传输，较准直光路仅能放大圆形光斑优势明显，本发明激光能量转化效率得到提高；本发明采用两片非球面镜优化像质，实现长距离投影，结构简单，系统体积小，系统重量轻，避免使用大量镜片，整个光学系统的结构冗杂度低。

Description

一种激光传能光学系统及其建立方法
技术领域
本发明涉及激光无线能量传输技术领域，具体涉及一种激光传能光学系统及其建立方法，适用于激光传能领域中的长距离(大于20m)传输和激光光斑的设定倍率放大。
背景技术
随着光电池片加工技术、光纤激光器匀化技术在激光传能领域的不断应用和发展，大面积电池板加工和匀化光纤激光器等方面有了长足进步。亟待一种可以高效利用激光能量进行长距离传输的光学系统实现激光传能领域的技术突破。长投影距离的投影光学系统在高效率、高功率、高接触面积激光传能领域拥有着广泛应用前景，是现代化光学系统应用领域的重要组成部分。
目前应用于长距离能量传输的光学系统多采用准直光路，仅能传输圆形光斑，激光能量转化效率低，在高效能激光传能应用上并不适用。例如专利CN201110363840.0发明了一种采用准直光路实现远距离激光传输的模拟装置，但体积大、结构复杂、光路复杂，对激光能量转化效率较低。
另外，目前应用于投影功能的光学系统多用于短距离投影的激光显示领域，如投影仪，且为了得到优良像质，现有的投影系统透镜多，结构复杂。例如专利CN201611007805.4提出了一种高效激光投影系统，对于激光显示技术领域的发展起到推动作用，但不能适用于远距离传输。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光传能光学系统及其建立方法，基于改进的投影光学系统，能够突破传统投影系统的投影距离较短的局限，实现激光能量长距离传输。
本发明的一种激光传能光学系统，包括光源、第一透镜和第二透镜；其中，所述第一透镜为正透镜且光线输入的表面为非球面；第二透镜为负透镜且输入的表面为非球面；光源发出的各视场光线经过第一透镜汇聚后，传输第二透镜上，经过第二透镜投影到设定距离，在设定距离处实现与激光输入光斑的等比例放大投影。
其中，所述光源发出激光光束的光斑为方形。
其中，所述光源置于第一透镜前100mm处，光斑尺寸为1mm×1mm，NA＝0.17，光源发出的各视场光线以NA角度入射到第一透镜，光学系统的放大倍率为420；
第一透镜和第二透镜距离为98.03mm；第一透镜厚度为10mm，焦距为72.253mm；第一透镜输入表面曲率半径为48.113mm，圆锥系数为-2.0802；第一透镜输出表面曲率半径为-95.86mm；第二透镜厚度为4mm，焦距为-144.722mm；第二透镜输入表面曲率半径为-49.02mm，圆锥系数1.9207；第二透镜输出表面曲率半径为-199.019mm。
本发明的一种激光传能光学系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过光源的激光数值孔径、光斑尺寸以及波长范围，确定光学系统的口径、视场角以及波长；
由光源的激光光斑尺寸以及激光接收面尺寸确定光学系统放大倍率；由激光传能距离确定像面位置；
步骤2，通过光源和像面之间的距离以及光学系统放大倍率计算得到光学系统焦距；确定光学系统的镜片数量为2，确定镜片玻璃材料；
步骤3，优化镜片之间的间隔、各自的曲率半径以及非球面系数，使得像面各视场点列斑均在衍射极限以内，得到激光传能光学系统。
有益效果：
本发明采用投影光学系统，可以将激光光斑等比例放大，实现方形甚至任意形状的光斑传输，较准直光路仅能放大圆形光斑优势明显，本发明激光能量转化效率得到提高；本发明采用两片非球面镜优化像质，实现长距离投影，结构简单，系统体积小，系统重量轻，避免使用大量镜片，整个光学系统的结构冗杂度低。
附图说明
图1为本发明所述的一种激光传能光学系统。
图2为本发明所述的激光传能光学系统波前图。
图3为本发明所述的激光传能光学系统点列图。
图4为本发明所述的激光传能光学系统传递函数图。
图5为本发明所述的激光传能光学系统25m投影距离处光斑能量分布图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
结合实施例和附图对本发明进行详细描述，本实施例的一种应用于长距离激光传能的投影光学系统如图1所示。
所述光学系统包括光源、第一透镜和第二透镜，第一透镜为正透镜且第一表面为非球面，第二透镜为负透镜且第三表面为非球面。光源发出的各视场光线经过第一透镜汇聚后，传输第二透镜上，经过第二透镜投影到设定距离，在设定距离处实现与激光输入光斑的等比例放大投影。这样就可以在远距离处获得满足接收尺寸要求的激光光斑，实现远距离的激光能量传输。
进一步地，为实现更高效率的激光能量传输，可以设计光源发出激光光束的光斑为方形，光路由匀化方形激光光斑开始。
本实施例应用于固定距离25m激光传能光学系统中，光源的光纤端口置于透镜前100mm处，光斑尺寸1mm×1mm，NA＝0.17，光源发出的各视场光线以NA角度入射，经过第一透镜汇聚后，再经过第二透镜透射，最后在25m处实现与激光输入光斑的等比例放大投影，其中，25m处接收面的尺寸为420mm×420mm，因此光学系统的放大倍率设为420。
本实施例应用于固定距离25m激光传能光学系统的详细设计数据如表1所示，其中由于本系统只有两片透镜，用非球面对第一透镜第一表面和第二透镜第三表面进行非球面优化，保证像质，其圆锥系数分别为-2.0802以及1.9207。
表1固定距离25m激光传能光学系统的详细设计数据
表面 半径(mm) 厚度(mm) 玻璃种类 圆锥系数
第一表面 48.113 10 F_SILICA -2.0802
第二表面 -95.86 98.03
第三表面 -49.02 4 F_SILICA 1.9207
第四表面 -199.019 25000
本实施例的光学系统的波前图如图2所示，波像差PV值像差为0.0283λ，RMS值为0.0097λ，λ＝808nm，波前质量良好。
本实施例的光学系统的点列图如图3所示，各视场点列斑均在衍射极限以内，像质优良。
本实施例的光学系统的传递函数图如图4所示，各视场传递函数均与衍射极限接近，像质优良。
本实施例的光学系统25m投影距离处光斑能量分布图如图5所示，25m投影距离处光斑尺寸选取430mm×430mm时，占激光总能量的99.91％；光斑尺寸选取420mm×420mm时，占激光总能量的99.89％；光斑尺寸选取415mm×415mm时，占激光总能量的97.7％。激光能量大部分集中在420mm×420mm区域内，且均匀分布，激光长距离大倍率投影传能效果优良。
本发明的激光传能光学系统建立方法，包括如下步骤：
步骤1，通过光源的激光数值孔径、光斑尺寸以及波长范围，确定光学系统的口径、视场角以及波长；
由光源的激光光斑尺寸以及激光接收面尺寸确定光学系统放大倍率；由激光传能距离确定像面位置；
步骤2，通过光源和像面之间的距离以及光学系统放大倍率计算得到光学系统焦距；确定光学系统的镜片数量为2，确定镜片玻璃材料；
步骤3，优化镜片之间的间隔、各自的曲率半径以及非球面系数，使得像面各视场点列斑均在衍射极限以内，得到激光传能光学系统。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种激光传能光学系统，其特征在于，包括光源、第一透镜和第二透镜；其中，所述第一透镜为正透镜且光线输入的表面为非球面；第二透镜为负透镜且输入的表面为非球面；光源发出的各视场光线经过第一透镜汇聚后，传输第二透镜上，经过第二透镜投影到设定距离，在设定距离处实现与激光输入光斑的等比例放大投影；
所述光源置于第一透镜前100mm处，光斑尺寸为1mm×1mm，NA＝0.17，光源发出的各视场光线以NA角度入射到第一透镜，光学系统的放大倍率为420；
第一透镜和第二透镜距离为98.03mm；第一透镜厚度为10mm，焦距为72.253mm；第一透镜输入表面曲率半径为48.113mm，圆锥系数为-2.0802；第一透镜输出表面曲率半径为-95.86mm；第二透镜厚度为4mm，焦距为-144.722mm；第二透镜输入表面曲率半径为-49.02mm，圆锥系数1.9207；第二透镜输出表面曲率半径为-199.019mm。
2.如权利要求1所述的一种激光传能光学系统，其特征在于，所述光源发出激光光束的光斑为方形。
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