CN113341581B - 一种基于自由曲面透镜的激光分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光分束器，属于激光光束整形领域。该分束器由两个作用表面S1和S2组成，且两个作用表面均为自由曲面，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器后在目标面上形成离散的光斑阵列。入射波前W由光源定义，该分束器对出射波前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。激光经过透镜前后表面后形成高斯光束阵列光束，所述光束经过一段距离传播后在目标位置处形成离散的分束光斑阵列。该分束器由单个透镜组成，易于加工和装调，还可有效减弱衍射效应对分束结果的影响。

Description

一种基于自由曲面透镜的激光分束器
技术领域
本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光分束器，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，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，进而在目标面上形成具有相似强度分布的衍射极限点，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，给透镜制造带来较大困难。
而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组成，用以将光束一分为三，此透镜同样具有不连续的单自由曲面表面。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。
在上述几何分束透镜设计中，使用单个自由曲面为主要的分束表面，自由度较少，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透镜是亟待解决的问题。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，相较于双透镜系统，使用单个透镜降低了系统的装调难度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了解决现有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，以及形成离散照度分布时透镜表面不连续导致的对透镜加工技术要求高，不利于工业化的问题，提供了一种基于自由曲面透镜的激光分束器，通过同步调控光束的照度和波前来实现高精度分束，该单透镜系统有利于装调。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：该分束器包括一个自由曲面透镜。该分束透镜1包括第一表面S1和第二表面S2，两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表面S1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表面S2后在中继面3的位置处被调整成预设的高斯光束阵列，进而在目标面4上形成分束光斑阵列。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W’，从而减弱甚至消除了由于目标面上离散照度分布带来的透镜表面的矢高突变现象，增强了透镜表面的连续性以及透镜的可加工性。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的定义以式(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 BDA0003098992580000021
其中：r0为与中继面上单个高斯光斑对应的输入光束在透镜第一表面S1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为中继面与第一表面S1之间的距离；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，中继面应设置为靠近第二表面S2或与之重合，以增强第二表面的连续性，同时减小分束透镜1的体积。
目标面4上的照度分布为离散的光斑阵列。目标面4上的光斑与中继面上高斯光斑数量相同，排列方式对应；目标面4上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 BDA0003098992580000031
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。构建的出射波前(波阵面)W’的位置应更靠近中继面。
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 BDA0003098992580000032
表示，入射波前W为与入射光线
Figure BDA0003098992580000033
垂直的波面。
光源发出的光线
Figure BDA0003098992580000034
经透镜第一表面S1折射后沿着
Figure BDA0003098992580000035
到达第二表面S2，入射光线
Figure BDA0003098992580000036
和折射光线
Figure BDA0003098992580000037
之间的关系满足斯涅耳定律，即：
Figure BDA0003098992580000038
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 BDA0003098992580000039
均为由单位方向向量组成的数组。
Figure BDA00030989925800000310
为入射光线，
Figure BDA00030989925800000311
为折射光线，
Figure BDA00030989925800000312
为第一表面的法向量场。n12＝n1/n2，n1和n2分别为入射介质(环境)和折射介质(第一透镜1)的折射率。
第一表面S1的最终形式为自由曲面，其作用为在第二表面S2之前形成近似高斯光束阵列。但在系统构建时，需要人为给定第一表面S1的初始面型，第一表面S1将在后续的迭代中得到更新。
所述第二表面S2与第一表面S1的关系为：
第二表面S2是根据光学系统的光程相等条件，由式(3)计算得到的，其凹凸性质也完全依赖该计算结果：
n1·|WP1|+n2·|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。在确定第一表面面型数据P1之后，求解上述方程便可得到与第二表面有关的面型数据P2。
而在由光程相等条件计算得到第二表面S2之后，可以对第一表面S1的面型进行修正，具体为，根据当前的P1和P2可计算
Figure BDA00030989925800000313
Figure BDA00030989925800000314
结合
Figure BDA00030989925800000315
由式(5)便可进一步计算得到第一透镜后表面的法向量场
Figure BDA00030989925800000316
Figure BDA00030989925800000317
进而根据数学方法由法向矢量场重构出第一表面。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，因此第一表面S1的凹凸性完全由其法向矢量场确定。接下来，按照基于光程相等条件的式(3)更新第二表面S2，反复迭代更新直到满足停止条件。
进一步地，自由曲面透镜的材料为塑料或玻璃。
进一步地，分束器的第一表面S1和第二表面S2均为自由曲面，且都是由数值计算方法计算得到。
进一步地，当光束沿z轴方向传播时，第一表面沿x或y轴方向的尺寸不大于第二表面沿x或y轴方向的尺寸。
进一步地，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，虽然可以减小自由曲面的矢高突变，但其仍然可能存在，可以通过适当增加透镜厚度，或加长系统整体长度来减弱甚至消除透镜表面不连续的现象。
有益效果
本发明提供的基于自由曲面透镜的激光分束器由具有两个自由曲面的单透镜组成，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。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，同时完成了使用更连续自由曲面形成离散光斑分布的分束效果，降低了透镜加工的难度。与具有两个单自由曲面透镜的双透镜分束系统相比，本发明将两个自由曲面集成到一个透镜上，降低了系统装调的难度。相比于现有的单自由曲面分束透镜，本发明不仅实现了对光束照度和波前的同步调控，而且在加工方面具有优势。
附图说明
图1为本发明分束器的设计示意图
图2为实施例1中分束透镜的三维轮廓图
图3为实施例1中继面上的照度分布图
图4为实施例1中目标面上的照度分布图
图5为实施例2中目标面上的照度分布图
图6为实施例3中分束透镜的三维轮廓图
图7为实施例3的中继面上的照度分布图
图8为实施例3中目标面上的照度分布图
图9为实施例4中透镜的三维轮廓图
图10为实施例4的中继面上的照度分布图
图11为实施例4中目标面上的照度分布图
图12为实施例5中目标面上的照度分布图
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
本发明提供了一种基于自由曲面透镜的激光分束器，光源发出的光束经分束器之后在目标面4上形成光斑阵列，如图1所示，分束器包括分束透镜1，该透镜的第一表面S1和第二表面S2均为自由曲面，两自由曲面的表面形态由计算得到的面型数据决定。
其中，由法向矢量场重构第一表面面型数据的最小二乘法，可参考Feng Z,FroeseB D,Liang R.Freeform illumination optics construction following an optimaltransport map[J].Applied Optics,2016,55(16):4301–4306。
该分束器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；通过给定中继面3和目标面4上的照度分布控制出射波前W’。中继面3上的照度分布形式为紧密排列的高斯光斑阵列。
经该分束器作用后，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，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z＝0处，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。分束透镜的第一表面S1位于zS1＝22mm处，第二表面S2位于zS2＝44.78mm处，中继面3位于z3＝45mm处，目标面4位于z4＝90mm处。中继面3上高斯光斑半径为1.2mm，与中继面上单个高斯光斑对应的S1面上最小照度区域半宽度为0.274mm。目标面4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 BDA0003098992580000051
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 BDA0003098992580000052
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 BDA0003098992580000061
目标面上单个矩形均匀光斑的能量分布可写：
Figure BDA0003098992580000062
系统的能量守恒可以写为：
Figure BDA0003098992580000063
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 BDA0003098992580000064
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 BDA0003098992580000065
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 BDA0003098992580000066
为：
Figure BDA0003098992580000067
以及出射光线
Figure BDA0003098992580000068
为：
Figure BDA0003098992580000069
进而求得其他参数及透镜表面的面型数据。
该透镜的三维轮廓图见图2。可以看到，透镜的第一表面S1为连续且光滑的自由曲面，第二表面S2为连续但部分区域不光滑的自由曲面，这些表面的加工技术均已成熟。中继面3上的照度分布仿真结果见图3，目标面4上的分束效果见图4，仿真结果与设计相符。
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°。透镜的第一表面S1位于zS1＝29.34mm处，第二表面S2位于zS2＝75.88mm处，中继面3位于z3＝76mm处，目标面4位于z4＝120mm处。中继面3上高斯光斑半径为3mm。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。该透镜的三维轮廓图见图6。中继面3上的照度分布仿真结果见图7，以及目标面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。透镜的第一表面S1位于zS1＝35.5mm处，第二表面S2位于zS2＝79.31mm处，中继面3位于z3＝80mm处，目标面4位于z4＝160mm处。中继面3上高斯光斑半径为3mm×2mm。目标面4上矩形光斑边长为0.2mm×0.1mm。分束透镜的三维轮廓图见图9。中继面3上的照度分布仿真结果见图10，以及目标面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)

1.一种基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：激光经过透镜前后表面后形成高斯光束阵列光束，所述光束经过一段距离传播后在目标位置处形成离散的分束光斑阵列；
光源发出的光线
Figure FDA0003594031780000011
经分束透镜第一表面折射后沿着
Figure FDA0003594031780000012
到达第二表面，入射光线
Figure FDA0003594031780000013
和折射光线
Figure FDA0003594031780000014
之间的关系满足斯涅耳定律，即：
Figure FDA0003594031780000015
其中：
Figure FDA0003594031780000016
均为单位方向向量；
Figure FDA0003594031780000017
为入射光线，
Figure FDA0003594031780000018
为折射光线，
Figure FDA0003594031780000019
为第一表面的法向量场；n12＝n1/n2，n1和n2分别为入射介质和折射介质的折射率；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 FDA00035940317800000110
为由单位向量组成的矩阵；第一表面的初始形态可人为给出；
所述第二表面与第一表面的关系为：
第二表面是根据光学系统的光程相等条件由式(2)计算得到的：
n1·|WP1|+n2·|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；在确定第一表面面型P1之后，求解上述方程便可得到与第二表面有关的面型数据P2；
而在由光程相等条件计算得到第二表面之后，可以对第一表面的面型进行修正，具体为，根据当前的P1和P2可计算
Figure FDA00035940317800000111
Figure FDA00035940317800000112
结合
Figure FDA00035940317800000113
由式(4)便可进一步计算得到第一透镜后表面的法向量场
Figure FDA00035940317800000114
Figure FDA00035940317800000115
进而根据数学方法由法向矢量场重构出第一表面；接下来，按照基于光程相等条件的式(2)更新第二表面，反复迭代更新直到满足停止条件；
所述入射光线
Figure FDA00035940317800000116
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 FDA00035940317800000117
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所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：当光束沿z轴方向传播时，第一表面沿x或y轴方向的尺寸不大于第二表面沿x或y轴方向的尺寸。
3.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，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的定义以式(5)中的β为参考：
Figure FDA0003594031780000021
其中：r0为与中继面上单个高斯光斑对应的输入光束在透镜第一表面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为中继面与第一表面之间的距离；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。
4.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：在确定中继面上的照度分布之后，中继面应设置为尽量靠近第二表面或与之重合。
5.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，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W’的位置应更靠近中继面。
6.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，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.如权利要求1或2或3或5或6任意一项所述的基于自由曲面透镜的激光分束器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分束透镜第一表面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分束透镜第二表面后，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，经过一段距离传播后在目标面上形成了不易受衍射效应影响的分束光斑阵列；所述自由曲面激光分束器可以实现对光束波前和照度的同步精确调控，且装调方便。
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