CN117348240A - 一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，可用于将准直光束的光强分布整形为所需要的光强分布，第一自由曲面镜实现入射激光光束的能量重新分配，第二自由曲面镜改变从第一个自由曲面出射光束的相位分布，使光束准直；现有的基于种子曲线法设计双自由曲面光束整形系统的方法需要引入虚拟面来进行辅助设计，由于虚拟面与第二个自由曲面面型不完全重合，造成设计所得的整形系统中两个自由曲面耦合不良，特别是对于扩束倍率大和结构紧凑的系统而言；本发明提出一种虚拟面迭代法来进行双自由曲面光束整形系统的设计，通过不断迭代虚拟面来逼近第二个自由曲面的真实面型，以提升两个自由曲面的耦合效果，进而改善所设计光束整形系统的整形效果。

Description

一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法

技术领域

本发明属于激光光束整形系统设计的技术领域，具体涉及一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法。

背景技术

激光因为其自身具有良好的单色性、方向性等特性，广泛应用于各个领域。但是激光器发出的激光光束的光强分布往往不满足实际应用需求，这种特性限制了激光在众多领域的发展。例如在光刻和激光核聚变领域，要求输入的激光束截面能量均匀分布，所以将激光光束整形为所需光强分布的准直光束具有重要意义。

现有的基于单一虚拟面法设计双自由曲面激光光束整形系统的方法中，虚拟面与第二自由曲面不完全重合，导致两个自由曲面耦合不良，进而影响所设计系统的光束整形效果，采用虚拟面迭代法可以极大程度地降低该缺陷带来的影响。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提供一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，可用于将激光器输出的光束整形为所需光强分布的光束，第一自由曲面镜实现入射激光光束的能量重新分布，第二自由曲面改变从第一自由曲面出射光束的相位分布，使光束准直；同时本发明提出一种基于虚拟面迭代策略的方法来提高设计精度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，采用虚拟面迭代法设计两个自由曲面，用于将激光光束整形为所需光强分布的准直的平顶光束，包括如下步骤：

步骤1，光束从光源面入射，经激光光束整形系统后出射到达目标面，确定激光光束整形系统的光源面和目标面的形状以及能量分布后，分别将光源面和目标面按照等能量划分网格，光源面和目标面的能量划分网格一一对应，网格交点一一对应；

步骤2，确定光学系统内的各结构参数，包含第一自由曲面与第二自由曲面相对位置以及各自由曲面的中心点位置，在第二自由曲面中心点处设置一个虚拟平面，该虚拟平面的网格划分与整个系统的目标面相同；

步骤3，光源面每个网格点对应一条采样光线，以虚拟面为光线经过第一自由曲面后的目标面，第一条采样光线经第一自由曲面中心点后出射到虚拟面上的中心点，由此，第一自由曲面上中心点的入射和出射光束及其特征向量均已知，借助Snell定律求得第一自由曲面中心点处的法向量，进而求得该点处的切平面，与第一条采样光线相邻的采样光线与该切平面的交点即为第一自由曲面上与中心点相邻的离散点，根据已求得的离散点利用相同的方法求解第一个自由曲面上所有的离散点；

步骤4，以步骤3中第一自由曲面上的出射光束作为第二自由曲面上的入射光束，经第二自由曲面后出射到整个光学系统的目标面，利用步骤3中的方法求解第二自由曲面上的所有离散点；

步骤5，评估计算所求得的第二自由曲面与虚拟面的不重合度，若不满足要求，则用计算所得的第二自由曲面替换虚拟面，重复步骤3和步骤4进行下一次的离散点求解，该过程一直重复，直到第二自由曲面与该次迭代使用的虚拟面的不重合度达到预定要求，将该方法命名为虚拟面迭代法；

步骤6，步骤1到步骤5计算得到的是自由曲面上的离散点，将这些离散点利用非均匀有理B样条理论拟合成为连续的自由曲面。

进一步地，本发明可以将圆形高斯激光光束整形为矩形平顶光束。

进一步地，本发明可以用于离轴双反射式激光光束整形系统的设计。

进一步地，本发明可以通过改变入射光束与出射光束网格点映射关系来设置激光光束整形系统的扩束比。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，解决了仅用单一虚拟面法造成两个自由曲面之间耦合不良的问题。

(2)本发明提出了一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，与利用单一虚拟面进行设计相比，能提高设计精度，可应用于扩束比较大和光束整形系统结构紧凑的设计需求场景。

附图说明

图1为一半光源面和一半目标面能量网格划分示意图；

图2为利用种子曲线法设计同轴透射式激光光束整形系统的示意图；

图3为虚拟面迭代法示意图；

图4为实施例1中虚拟面迭代法迭代过程中的不重合度变化示意图；

图5(a)，图5(b)为实施例1中单一虚拟面法所设计系统的仿真图；其中，图5(a)为光束整形系统仿真示意图，图5(b)为辐照度分布图；

图6(a)，图6(b)为实施例1虚拟面迭代法所设计系统的仿真图；其中，图6(a)为光束整形系统仿真示意图，图6(b)为辐照度分布图；

图7(a)，图7(b)为实施例2虚拟面迭代法所设计系统的仿真图；其中，图7(a)为光束整形系统仿真示意图，图7(b)为辐照度分布图。

具体实施方式

下面为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，包括以下步骤：

步骤1，以通过双自由曲面光束整形系统将圆形高斯光束整形为圆形平顶光束为例，首先在光源面S平面上，m臂n环等能量划分网格，以网格交点为数据点采样m×n个数据，每个数据点代表一条采样光线的起始点，出射一条采样光线，每条采样光线相互平行，圆心点为s₀，第一臂第一环的点设为s_1,1，与s_1,1同一臂的第j环的数据点为s_1,j，第二臂第一环的第一个数据点为s_2,1，与s_2,1同一臂的第j环的数据点命名为s_2,j，依此类推，第i臂第j环的数据点为s_i,j，最后一个点为s_m,n；

步骤2，设置目标面空间位置，将目标圆形按等面积划分网格，以网格交点为数据点采样m×n个数据，每个数据点作为一条采样光线的终点，入射一条采样光线，圆心点为t₀，目标面上第一臂第一环的点设为t_1,1，与t_1,1同一臂第j环的数据点命名为t_1,j，第二臂的第一个数据点为t_2,1，与t_2,1同一臂第j环的数据点为t_2,j，以此类推，第i臂第j环的数据点为t_i,j，最后一个数据点为t_m,n，光源面与目标面相同下标的点一一对应，即每个从光源面数据点出射的采样光线经过光束整形系统后入射到目标面上下标相同的数据点，光源面与目标面的能量网格划分如图1所示；

步骤3，确定光学系统内的各初始点坐标，光源面圆心点s₀，第一个自由曲面上的圆心点p1₀，第二自由曲面反射镜上的初始点p2₀，p1₀与p2₀之间的距离D为两自由曲面的距离，目标面圆心点t₀，光源面出射的采样光线的单位向量R₁，将目标面平移，使t₀与p2₀重合获得一个虚拟平面v，虚拟面网格划分与系统目标面相同，即虚拟面上数据点与系统目标面上的下标相同的数据点一一对应；

步骤4，根据步骤1中的圆心点s₀和光源面出射单位向量R₁确认发出的第一条采样光线r₀，到达第一个自由曲面上的初始点p1₀后入射到第二个自由曲面上的初始点p2₀，再出射到目标面上圆心点t₀，由于初始点已知可得经第一自由曲面出射到第二自由曲面的采样光线的特征向量R1₀，根据Snell定律由向量R₁和向量R1₀可以求得p1₀点的法向量N₀进而求得该点处的切平面M₀；

步骤5，将从s_1,1出射的第二条采样光线r_1,1与切平面M₀的交点p1_1,1作为第一自由曲面上的第一臂第一环的离散点，再利用点p1_1,1和虚拟面上的v_1,1点求得特征向量R1_1,1，与步骤4相同，通过Snell定律可求得p1_1,1处的法向量N_1,1，进而求得切平面M_1,1，特征向量R1_1,1代表的采样光线与p2₀处的切平面的交点为第二自由曲面上的离散点p2_1,1，利用已求得的离散点，以该采样光线与切平面的交点为离散点的方法可以求得与已知点相邻的采样点，直至求得两个自由曲面上第一臂上所有的离散点，以同轴透射式自由曲面光束整形系统为例，f₁、f₂分别表示两个透镜上的自由曲面，v代表虚拟面，n₀、n₁、n₂分别为第一个透镜，空气以及第二个透镜的折射率，由于同轴透射式系统旋转对称，可仅求解一条臂作为母线，如图2所示；

其中，第一自由曲面出射的采样光线的特征向量公式为：

运用Snell定律向量形式求解法向量的公式为：

若是离轴反射式激光光束整形系统，法向量的公式为：

步骤6，依照步骤4和步骤5可以求得两个自由曲面上所有的离散点，将该方法称为种子曲线法；

步骤7，设第二自由曲面上每个离散点与该次迭代的虚拟面上对应采样点的距离为d_i，如图3所示，以所有离散点与该次迭代的虚拟面上对应采样点距离之和除以采样点数量来评估本次计算所求得的第二自由曲面与虚拟面v的不重合度，将该不重合度定义为d'，并用第二个自由曲面替换虚拟面v进行下一次的离散点求解，重复该过程直到该次迭代的d'小于预设的值，将该方法命名为虚拟面迭代法，虚拟面迭代过程如图3所示；

其中，自由曲面上离散点与虚拟面上对应采样点的距离为：

d_i＝|p2_i,j-v_i,j| (4)

不重合度可表示为：

步骤8，利用非均匀有理B样条理论将离散点拟合成为连续的自由曲面。

实施例1

本实施例的入射光束束腰半径ω₀为5mm，光束切趾半径r为10mm，出射光束半径R为30mm，距离D为100mm，光束波长为1064nm，采样点数为10000，自由曲面透镜基材为BK7，分别用单一虚拟面法和虚拟面迭代法进行设计，设计过程中不重合度随迭代次数的变化情况如图4所示，迭代过程中不重合度快速逼近0，在仿真软件中设置2997001条光线进行光线追迹仿真，单一虚拟面法所设计系统的系统仿真示意图如图5(a)所示，目标面辐照度分布如图5(b)所示，其辐照度均匀度和能量利用率分别为92.64％和90.859％，虚拟面迭代法所设计系统的系统仿真示意图如图6(a)所示，目标面辐照度分布如图6(b)所示，其辐照度均匀度和能量利用率分别为95.57％和99.789％，虚拟面迭代法所设计的光束整形系统的整形效果显著优于单一虚拟面法所设计的光束整形系统。

实施例2

本实施例入射光束束腰半径ω₀为5mm，光束切趾半径r为10mm，出射光束半径R为30mm，轴向距离为200mm，离轴距离为120mm，光束波长为1064nm，采样点数为1000×1000，自由曲面反射镜设置为全反射，系统仿真示意图如图7(a)所示，目标面辐照度分布如图7(b)所示，其辐照度均匀度和能量利用率分别为95.38％和99.90％。

以上所述是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的设计方案均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，其特征在于，采用两个自由曲面光学元件组成的激光光束整形系统，用于将激光器输出的光束整形为所需光强分布的准直光束，其中，两个自由曲面分别为第一自由曲面和第二自由曲面；包括如下步骤：

步骤1，光束从光源面入射，经激光光束整形系统后出射到达目标面，确定激光光束整形系统的光源面和目标面的形状以及能量分布后，分别将光源面和目标面按照等能量划分网格，光源面和目标面的能量划分网格一一对应，网格交点亦一一对应；

步骤2，确定光学系统内的各结构参数，包含第一自由曲面与第二自由曲面相对位置以及各自由曲面的中心点位置，在第二自由曲面中心点处设置一个虚拟平面，该虚拟平面的网格划分与整个系统的目标面相同；

步骤3，光源面每个网格点对应一条采样光线，以虚拟面为采样光线经过第一自由曲面后的目标面，第一条采样光线经第一自由曲面中心点后出射到虚拟面上的中心点，由此，第一自由曲面上中心点的入射和出射光束及其特征向量均已知，可借助Snell定律求得第一自由曲面中心点处的法向量，进而求得该点处的切平面，与第一条采样光线相邻的采样光线与该切平面的交点即为第一自由曲面上与中心点相邻的离散点，可根据已求得的离散点利用相同的方法求解第一个自由曲面上所有的离散点；

步骤4，以步骤3中第一自由曲面上的出射光束作为第二自由曲面上的入射光束，经第二自由曲面后出射到整个光学系统的目标面，同样利用步骤3中的方法求解第二自由曲面上的所有离散点；

步骤5，评估计算所求得的第二自由曲面与虚拟面的不重合度，若不满足要求，则用计算所得的第二自由曲面替换虚拟面，重复步骤3和步骤4进行下一次的离散点求解，该过程会一直重复直到第二自由曲面与该次迭代使用的虚拟面的不重合度达到预定要求，将该方法命名为虚拟面迭代法；

步骤6，步骤1到步骤5计算得到的是自由曲面上的离散点，将这些离散点利用非均匀有理B样条理论拟合成为连续的自由曲面。

2.根据权利要求1所述的一种双自由曲面激光光束整形系统设计方法，其特征在于：所述第一自由曲面光学元件用于实现激光光束光强分布的重新分配，第二自由曲面光学元件用于实现光束准直，两个自由曲面构成的激光光束整形系统是同轴透射式或离轴反射式。