CN113325594B - 一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，属于激光光束整形领域。包括第一反射镜和第二反射镜，两个反射镜均为自由曲面，可实现对光束照度和波前的同步控制，光源发出的光束经过该分束系统后在目标面上形成离散的光斑阵列。入射波前W由光源决定，该系统对出射波前W’的控制通过定义中继面和目标面的照度分布来实现，中继面上的照度分布形式为紧密排列的高斯光斑阵列。所述的分束系统这样构成，使得光源发出的光在经过该反射系统后被分束，最终在目标面上形成具有一定能量分布的光斑阵列。该反射分束系统对入射光波长变化不敏感，可有效减弱衍射效应对分束结果的影响，更适用于离轴分束的场景。

Description

一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统
技术领域
本发明涉及一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，属于激光光束整形领域。
背景技术
激光分束器在激光并行加工如激光切割和激光打孔、激光测量和检测、激光扫描，激光投影，结构光照明及光通信等方面应用广泛。
常用的衍射光学元件DOE通过将能量注入指定衍射阶次实现光束分离，具有体积小重量轻等优势，但其对波长的依赖性很强，且高衍射效率和低加工难度难以兼顾。基于光学自由曲面对光线的灵活精准调控能力，人们开始寻求几何光学分束方案。
其中，Jarczynski M等在文章“Jarczynski M,Mitra T,Ivaneko M,etal.Monolithic optical components for splitting of high-power beams[C].LaserBeam Shaping XIII:volume 8490.SPIE,2012:200–209”中提出了一种由非球面和柱状自由曲面阵列组成的透镜，通过控制光束的照度分布将入射光束分为1×17个等能量的子光束，并在目标面上形成具有相似强度分布的衍射极限点，文中得到的柱状自由曲面阵列的相邻子曲面之间具有一定的台阶高度。
Maksimovic M在文章“Maksimovic M.Design and optimization of compactfreeform lens array for laser beam splitting:a case study in optimal surfacerepresentation[C].Optical Modelling and Design III:volume 9131.SPIE,2014:38–49”中提出了基于优化设计方法的可对光束进行准直和分束的自由曲面透镜阵列，其由独立的三个子曲面拼接而成，用以将光束一分为三，此透镜同样具有不连续的表面。文中尝试采用局部滤波的方法对透镜表面的不连续处进行平滑，但得到的透镜已不具有良好的分束效果。
专利CN101936504A中提出的可实现光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列，可以在目标面上形成均匀照明的两个或四个离散光斑，其必须将微透镜按一定规则排列才可以保证部分照明模式下透镜阵列表面的整体连续性。
而在专利CN208735545U中提出一种由连接平面和平面镜面拼接而成的整体呈抛物面型的反光碗，依赖于抛物面的性质以及多个光源来形成空间中随机分布的亮点阵列，产生如星星照明般的视觉效果。
在几何分束系统设计中，目标面上离散的照度分布直接导致了自由曲面分束透镜表面的不连续性，给透镜加工带来较大的困难，也增加了透镜的易损性。因此，在精确地实现分束功能的同时，设计具有易加工表面的分束系统是亟待解决的问题。虽然自由曲面透射系统对波长的依赖性相较DOE而言已经减轻，但反射式结构的系统完全不依赖入射光波长进行设计，理论上无色差，更加适合弥补DOE的波长依赖弱势。由于激光光束自身的相干性带来的衍射效应将给分束结果产生影响，设计不易受衍射效应影响的分束系统是有意义的事情，此外，反射式系统可实现离轴分束，为系统的结构配置增添了灵活性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了解决现有物理光学分束技术所存在的对波长依赖性强，以及几何光学分束技术存在的由于激光带来的衍射效应使得分束效果偏离预期设计的问题，提供了一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，通过同步调控光束的照度和波前来实现高精度分束，可用于离轴分束。该系统的分束效果不受入射光波长的影响，同时具有减弱系统衍射效应的效果。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：该分束系统包括第一反射镜1和第二反射镜2，两者相互配合以达到对光束能量和波前的同步精确控制。
由光源发出的光束经过第一反射镜1后被整形成近似的高斯光束阵列，所述近似高斯光束阵列光束经由第二反射2后在中继面3的位置处被调整成预设的高斯光束阵列，第二反射镜2同时也对光束的波前进行调制，波前和照度均被控制的光束到达目标面时，形成分束光斑阵列。所述自由曲面分束系统可以实现对光束波前和照度的同步调控。
引入中继面3，入射光束在其上的照度分布形式为紧密排列的具有相同尺寸的高斯光斑阵列，中继面3的存在将形成离散照度分布的目标转化为形成具有特定形态的出射波前，从而减弱了由于目标面上离散照度分布带来的反射镜表面的矢高突变现象，增强了反射镜表面的连续性以及反射镜的可加工性。同时，设置中继面3上的高斯光斑尺寸大于目标光斑尺寸，可以减弱由于激光的相干性带来的衍射效应。
中继面3上单个高斯光斑尺寸Y0的设置以式(1)中的β为参考，β常用来评价衍射效应对激光整形系统的影响，具体要求为，计算得到的中继面3上每个高斯光斑对应的β均大于4：
Figure BDA0003099168170000021
其中：r0为与中继面3上单个高斯光斑对应的输入光束在第一反射镜1处照度区域的半宽度；Y0为中继面3上单个高斯光斑的半宽度；d为中继面3与第一反射1之间沿系统主光轴方向的距离；λ为光源波长。β越大则衍射效应越不明显。在满足系统设计要求的前提下，可适当增加中继面3上的高斯光斑尺寸。在确定中继面3上的照度分布之后，中继面3的位置应尽量靠近第二反射镜2。
目标面4上的照度分布为离散的光斑阵列。目标面4上的光斑与中继面3上高斯光斑数量相同，排列方式对应，目标面4上单个光斑的尺寸小于中继面3上单个高斯光斑的尺寸。目标光斑阵列中光斑的能量为点分布、高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、环状分布或者图案分布等；光斑形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形等。
出射光线
Figure BDA0003099168170000031
由中继面3和目标面4上的照度分布定义，具体为由两个照度分布之间的能量映射关系决定，而出射波前的形态取决于出射光束，此外，构建的出射波前(波阵面)W’的位置应更靠近中继面3。
入射光束的能量分布由光源决定，在计算时需根据光源和中继面3之间的能量映射关系将其离散化，用入射光线
Figure BDA0003099168170000032
表示，入射波前W为与入射光线
Figure BDA0003099168170000033
垂直的波面。
在第一反射镜1的表面S1处，所述入射光线
Figure BDA0003099168170000034
和反射光线
Figure BDA0003099168170000035
存在下述关系：
光源发出的光线
Figure BDA00030991681700000320
经第一反射镜1反射后沿着
Figure BDA0003099168170000036
到达第二反射镜2，入射光线
Figure BDA0003099168170000037
和反射光线
Figure BDA0003099168170000038
之间的关系遵循反射定律，即：
Figure BDA0003099168170000039
其中：由于光束需要被离散化，并由合适数量的有限条光线表示，
Figure BDA00030991681700000310
均为由单位方向向量组成的矩阵。
Figure BDA00030991681700000311
为入射光线，
Figure BDA00030991681700000312
为反射光线，
Figure BDA00030991681700000313
为第一反射镜1表面S1的法向量场。
第一反射镜1的表面S1的最终形式为自由曲面，其作用为在第二反射镜2之前形成近似高斯光束阵列。但在系统构建时，需要人为给予S1一个初始面型，该初始面型需要使反射光束
Figure BDA00030991681700000314
远离光源，以免形成光路遮挡。第一反射镜的表面S1将在后续的迭代中得到更新。
所述第二反射镜2与第一反射镜1的关系为：
第二反射镜2的表面S2是根据光学系统的光程相等条件，由式(3)计算得到的，其凹凸性质也完全取决于该计算结果：
n1·|WP1|+n1·|P1P2|+n1·|P2W'|＝L (3)
其中，W为入射波前，W’为出射波前，L为光程常数，n1为周围环境介质的折射率。在确定第一反射镜1的面型数据P1之后，求解上述方程便可得到与第二反射镜2有关的面型数据P2。
而在由光程相等条件计算得到第二反射镜表面S2之后，可以对第一反射镜的面型S1进行修正，具体为，根据当前的P1和P2来计算理想的
Figure BDA00030991681700000315
Figure BDA00030991681700000316
结合
Figure BDA00030991681700000317
由式(5)计算第一反射镜表面的法向量场：
Figure BDA00030991681700000318
进而根据数学方法由法向矢量场重构出第一反射镜的表面。常用的法向矢量场自由曲面数学构建方法有积分法、最小二乘法等，因此第一反射镜1的凹凸性完全由其法向矢量场
Figure BDA00030991681700000319
确定。接下来，按照基于光程相等条件的式(3)更新第二反射镜2的表面S2，反复迭代更新直到满足停止条件。
进一步地，第一反射镜的尺寸不大于第二反射镜的尺寸。
出射主光轴与入射主光轴之间的关系不限定，两者可以为任意的空间关系，但系统中的光束不可被非作用元件遮挡。如光源不对反射光束
Figure BDA0003099168170000041
和出射光束
Figure BDA0003099168170000042
形成遮挡，第一反射镜1不对出射光束
Figure BDA0003099168170000043
形成遮挡，第二反射镜2不对入射光束
Figure BDA0003099168170000044
形成遮挡，目标面4不可遮挡入射光束
Figure BDA0003099168170000045
和反射光束
Figure BDA0003099168170000046
等。
自由曲面反射镜可通过镀膜等方式来增加表面反射率。
进一步地，第一反射镜1和第二反射镜2均为自由曲面，且都由数值计算方法计算得到。
由于本方案将形成离散照度分布的任务转化为产生由中继面照度和目标面照度决定的出射波前，虽然降低了自由曲面表面的矢高突变，但其仍然可能存在，可以采取加长系统整体长度等方式来减弱甚至消除第二反射镜2表面不连续的现象。
有益效果
本发明提供的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统由两个自由曲面反射镜组成，光源发出的光束经过分束系统之后在目标面上形成离散的光斑阵列。与单自由曲面分束方案相比，两个自由曲面的使用极大的提高了设计的自由度，可以实现对光束照度和波前的精准调控，同时完成了使用较连续自由曲面形成离散光斑分布的分束效果。与现有的自由曲面透镜分束系统相比，本发明不仅实现了对光束照度和波前的同步调控，而且不依赖波长进行设计，理论上无色差，可作用于任何波长而无需受到透镜材料的限制。此外，本发明还十分适合在离轴分束场景中使用。
附图说明
图1为本发明中基于双自由曲面反射镜的激光分束系统设计示意图
图2为实施例1的第一反射镜1(左)及第二反射镜2(右)的三维轮廓图
图3为实施例1中继面3上的预设照度分布图
图4为实施例1的目标面上的照度分布图
图5为实施例2的目标面上的照度分布图
图6为实施例3的第一反射镜1(左)及第二反射镜2(右)的三维轮廓图
图7为实施例3中继面上预设的照度分布图
图8为实施例3的目标面上的照度分布图
图9为实施例4的第一反射镜1(左)及第二反射镜2(右)的三维轮廓图
图10为实施例4的中继面上预设的照度分布图
图11为实施例4的目标面上的照度分布图
图12为实施例5的目标面上的照度分布图
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，以下实施例仅用于说明本发明，而不用来限制本发明的范围。
本发明提供了一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，光源发出的光束经分束系统之后在目标面4上形成光斑阵列，如图1所示，分束系统包括第一反射镜1和第二反射镜2，其中第一反射镜1和第二透镜2的表面均为自由曲面，两个自由曲面的表面形态由计算得到的面型数据决定。
该分束系统可以实现对光束波前和照度的同步调控。入射光束的波前W和能量分布由光源确定，光源功率不限；通过设定中继面3和目标面4上的照度分布控制出射波前W’。
其中，由法向矢量场重构第一反射镜1表面S1面型数据的最小二乘法，可参考FengZ,Froese B D,Liang R.Freeform illumination optics construction following anoptimal transport map[J].Applied Optics,2016,55(16):4301–4306。
中继面3上的照度分布形式为规则排列的高斯光斑阵列。
经该分束系统作用后，在目标面4上获得离散的目标光斑阵列，目标光斑阵列中光斑的数量和中继面上高斯光斑数量相同，光斑的能量分布形式无具体限定，例如可以为本领域常见的衍射极限点分布、高斯分布或者均匀分布，具体可以根据应用需求进行选择。光斑形状也可以根据实际应用需求进行调整，包括但不限于圆形、椭圆形、三角形或者矩形。在本发明具体实施过程中，目标光斑阵列中光斑的能量和形状可以为任意组合，例如一个光斑阵列中可以既包括矩形均匀分布的光斑、三角形均匀分布的光斑，又包括圆形高斯分布的光斑、椭圆形高斯分布的光斑，即可以实现光斑能量和形状的任意组合。
实施例1
本实施例将具有球面波前的高斯点光源分束为目标面上5×5的矩形均匀光斑阵列，阵列中光斑尺寸和能量相同。其中，光源位于系统坐标系原点，功率为1W，光源波长为532nm，发散角为θx_half＝6.235°，光束沿z轴正向传播。第一反射镜1与光轴交于zS1＝20.7mm处，第二反射镜2与主光轴交于(x2,y2,z2)＝(0,-12,2.98)mm处，中继面3位于(x3,y3,z3)＝(0,-12,8)mm处，中继面3上高斯光斑半径为1.2mm。目标面4位于中继面3之后的z4＝53mm处，目标面上矩形光斑边长为0.2mm，相邻两光斑之间的距离为2.4mm。
若入射光束在第一透镜前表面处的高斯能量分布用I0(u,v)表示，它是可分离变量的，可写为：I0(u,v)＝I0(u)·I0(v)，(u,v)所属的区域为Ω0。中继面上紧密排列的高斯光束阵列的能量分布用Ic(ξ,η)表示，(u,v)所属的区域为Ωc。由于目标阵列中的光斑数量为5×5，因此中继面上有5×5个等能量的高斯光斑，此时Ic(ξ,η)可以表示为所有中继面高斯光斑照度分布的叠加，如式(6)所示：
Figure BDA0003099168170000061
中继面上高斯光斑之间的差别仅仅在于位置不同，每个光斑的能量分布Ic (n,m)(ξ,η)都是可分离变量的，可写为：
Figure BDA0003099168170000062
因此由它们组成的中继面上高斯光束阵列能量分布Ic(ξ,η)也是可分离变量的，即其可写为：Ic(ξ,η)＝Ic(ξ)·Ic(η)。若目标面6上的离散光斑阵列能量分布用It(x,y)表示，(x,y)占据的区域为Ωt：
Figure BDA0003099168170000063
目标面上单个矩形均匀光斑的能量分布可写：
Figure BDA0003099168170000064
系统的能量守恒可以写为：
Figure BDA0003099168170000065
从光源到中继面的整体能量映射关系可由一系列网格点坐标(ui,j,vi,j)及(ξi,j,ηi,j)表示，给定(ξi,j,ηi,j)为均匀的网格划分，则(ui,j,vi,j)为由式(9)计算得到的非均匀网格划分：
Figure BDA0003099168170000066
而从中继面上单个高斯光斑到目标面上对应单个矩形均匀光斑之间的能量映射关系可计算为：
Figure BDA0003099168170000067
其中n＝1,2,3,4,5；m＝1,2,3,4,5。(ξi,j (n,m),ηi,j (n,m))为中继面上编号为(n,m)的高斯光斑对应的由(ξi,j,ηi,j)提取得到的网格点坐标，(xi,j (n,m),yi,j (n,m))为目标面上编号为(n,m)的矩形均匀光斑上划分的网格点坐标。在得到这些能量映射坐标之后，可以求出入射光线
Figure BDA0003099168170000068
为：
Figure BDA0003099168170000069
以及出射光线
Figure BDA00030991681700000610
为：
Figure BDA00030991681700000611
进而求得其他参数及透镜表面的面型数据。
第一反射镜1和第二反射镜2的三维轮廓图见图2。可以看到，第一反射镜的表面S1为连续的自由曲面，第二反射镜的表面S2为略微不连续的自由曲面。中继面3上预设的照度分布见图3，目标面4上的分束效果见图4，可以看到分束结果与设计相符。
实施例2
本实施例将具有球面波前的高斯点光源分束为目标面上5×5的高斯光斑阵列，参数设置与实施例1相同。目标面4上的分束效果见图5。
实施例3
本实施例将具有球面波前的高斯点光源分束为目标面上5×5的矩形均匀光斑阵列，阵列中光斑尺寸和能量相同。其中，光源波长为632.8nm，发散角为θx_half＝15.21°，θy_half＝9.27°，光束沿z轴正向传播。第一反射镜1与光轴交于zS1＝16mm处，第二反射镜2与主光轴交于(x2,y2,z2)＝(0,-25,-66.66)mm处，中继面3位于(x3,y3,z3)＝(0,-25,-60)mm处，中继面3上高斯光斑半径为3mm。目标面位于中继面3之后的z4＝23mm处，目标面4上矩形光斑边长为0.15mm×0.3mm，相邻两光斑之间的距离为6mm。第一反射镜1和第二反射镜2的三维轮廓图见图6。中继面3上预设的照度分布见图7，目标面4上的分束效果见图8。
实施例4
本实施例将具有平面波前的高斯光源分束为目标面上5×5的矩形均匀光斑阵列，阵列中光斑尺寸和能量相同。其中，束腰半径为2.5mm×1.67mm的准直光束从位于z＝0处的光源发出，光源波长为632.8nm，光束沿z轴正向传播。第一反射镜1与光轴交于zS1＝33mm处，第二反射镜2与主光轴交于(x2,y2,z2)＝(0,-35,-66.66)mm处，中继面3位于(x3,y3,z3)＝(0,-25,-60)mm处，中继面3上高斯光斑尺寸为3mm×2mm。目标面4位于中继面3之后z4＝23mm处，目标面上矩形光斑边长为0.2mm×0.1mm。第一反射镜和第二反射镜的三维轮廓图见图9。中继面3上预设的照度分布见图10，目标面4上的分束效果见图11。
实施例5
本实施例将具有平面波前的高斯光源分束为目标面上5×5的矩形均匀光斑阵列，目标面4上矩形光斑边长为0.2mm，其余各参数设置与实施例4相同。目标面4上的分束效果见图12。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：激光经过第一反射镜和第二反射镜后形成高斯光束阵列光束，所述光束经过一段距离的传播后在目标位置形成分束离散光斑阵列；
光源发出的光线
Figure FDA0003560746280000011
经第一反射镜反射后沿着
Figure FDA0003560746280000012
到达第二反射镜，入射光线
Figure FDA0003560746280000013
和反射光线
Figure FDA0003560746280000014
之间的关系满足反射定律，即：
Figure FDA0003560746280000015
其中：
Figure FDA0003560746280000016
均为单位方向向量；
Figure FDA0003560746280000017
为入射光线，
Figure FDA0003560746280000018
为反射光线，
Figure FDA0003560746280000019
为第一反射镜的法向量场；由于入射光束需要被离散化，并由携带能量的有限条入射光线表示，因此，
Figure FDA00035607462800000110
为由单位向量组成的矩阵；第一反射镜的初始形态可人为给出；
所述第二反射镜与第一反射镜的关系为：
第二反射镜是根据光学系统的光程相等条件由式(2)计算得到的：
n1·|WP1|+n1·|P1P2|+n1·|P2W'|＝L (2)
其中，W为入射波前，W’为出射波前，L为光程常数，n1为周围环境介质的折射率；在确定第一反射镜的面型数据之后，求解上述方程便可得到与第二反射镜有关的面型数据P2；
而在由光程相等条件计算出第二反射镜表面面型之后，可以对第一反射镜的面型进行修正，具体为，根据当前的P1和P2来计算理想的
Figure FDA00035607462800000111
Figure FDA00035607462800000112
结合
Figure FDA00035607462800000113
由式(4)计算第一反射镜表面的法向量场：
Figure FDA00035607462800000114
进而根据数学方法由法向矢量场重构出第一反射镜的表面；接下来，按照基于光程相等条件的式(2)更新第二反射镜的面型，反复迭代更新直到满足停止条件；
所述入射光线
Figure FDA00035607462800000115
由光源和中继面上的能量分布定义，具体为由两者能量分布之间的映射关系决定，入射波前W为与入射光束垂直的波面；
出射光线
Figure FDA00035607462800000116
由中继面和目标面上的照度分布定义，具体为由两个照度分布之间的能量映射关系决定，而出射波前W’的形态取决于出射光束；
所述光束在中继面上的照度分布形式为紧密排布的高斯光斑阵列。
2.如权利要求1所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：系统通过控制中继面和目标面上的照度分布实现对出射光束及出射波前的定义，且所设定的出射波前(波阵面)W’的位置更靠近中继面。
3.如权利要求1所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：第一反射镜的尺寸不大于第二反射镜的尺寸。
4.如权利要求1所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：目标面位于第二反射镜后一定位置处，目标面不遮挡反射光束
Figure FDA0003560746280000021
5.如权利要求1所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：中继面上的照度分布形式为紧密排列的高斯光斑阵列，该中继高斯光斑阵列的存在有效减弱或消除了由于激光光源相干特性产生的衍射效应对目标离散光斑阵列的影响；中继面上单个高斯光斑尺寸Y0的设置以式(5)中的β值为参考：
Figure FDA0003560746280000022
其中：r0为与中继面上单个高斯光斑对应的输入光束在第一反射镜处的照度区域的半宽度；Y0为中继面上单个高斯光斑的半宽度；d为中继面与第一反射镜之间沿光轴方向的距离；λ为光源波长；具体要求为，计算得到的中继面上每个高斯光斑对应的β均大于4，在满足系统设计要求的前提下，可选取尽量大的中继面高斯光斑尺寸，这样可以更好的消除系统的衍射效应。
6.如权利要求1所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统，其特征在于：目标面上的光斑与中继面上高斯光斑的数量相同，且目标面上单个光斑的尺寸小于中继面上单个高斯光斑的尺寸；所述目标面上的光斑排列方式与中继面高斯光斑排列方式对应；光斑阵列中单个光斑的能量为点分布、高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、环状分布或者图案分布；目标光斑形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形。
7.采用如权利要求1或2或3或4或5或6任意一项所述的基于双自由曲面反射镜的激光分束系统实现分束离散光斑阵列的方法，其特征在于：由光源发出的光束经过第一反射镜后被整形成近似的高斯光束阵列光束，所述近似高斯光束阵列光束经由第二反射镜后，波前和照度均被精确控制，在中继面的位置处被调整成预设的高斯光束阵列光束，经过一段距离传播后在目标面上形成不易受衍射效应影响的分束光斑阵列；所述基于双自由曲面反射镜的激光分束系统可以实现对光束波前和照度的同步精确调控。
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