CN117543320A - 紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件。涉及光纤激光器的输出、准直/聚焦光斑整形。本申请所述激光输出头包括光纤（1）与晶体端帽（2），其中，晶体端帽（2）由与光纤（1）熔接的光纤熔接段（3）、激光传输扩束段（4）和输出凹面（5），所述输出凹面（5）用于扩大激光发散角，缩短达到目标光斑尺寸要求时所需的空间距离。本申请结构简单，大幅精简了光路，减少了光学元件，降低了系统装置的体积。

Description

紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件

技术领域

本申请涉及光纤激光器的输出、准直/聚焦光斑整形，具体涉及紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件。

背景技术

光纤激光器拥有光束质量好、高效率、散热特性好、结构紧凑等特点，被广泛应用于医疗器械、军事国防、激光打标、焊接、切割等领域。

传统光纤激光器的输出头晶体端面为平面，作用为降低输出端面的功率密度减少端面损伤概率。经过传统光纤激光器输出头晶体的输出激光为发散光，在多数应用场合，需要进一步利用准直器将输出激光准直，便于长距离传输。准直光斑的大小依据实际需求确定，在很多场合需要较大的准直光斑，以进一步降低后级光学元件通光面的功率密度，减少后级光学元件的损伤概率。由于光纤激光器输出激光的发散角较小，为了获得直径较大的准直输出光斑，往往需要长焦凸透镜，导致准直器长度偏大，不利于系统集成。传统方法为了控制准直器的长度先使用焦距较短的凸透镜将光纤激光器输出激光准直为较小的光斑，再进行后级扩束，这种方法虽然压缩准直器的大小，但是考虑后级扩束系统占据的空间，系统更为复杂、代价高、应用不便。

在准直应用领域，传统单一透镜的准直器只能输出光纤激光器的原始对称光斑，不能利用单一透镜实现在x方向和y方向准直光斑直径非等长的整形功能。如果要实现x方向和y方向准直光斑直径非等长的整形，通常的方法是先将光纤激光器的输出激光准直，再对准直光束在x方向和y方向分别进行不同比例的扩束/缩束，实现前述光斑的整形功能，对应的准直光束整形系统至少需要2组柱面镜，导致光学系统复杂。如专利申请CN201410019186.5使用2组柱面和1个球面镜分别对x方向和y方向进行准直扩束；如专利申请CN202211423228.2使用了2组柱面扩束/缩束系统，分别对x方向和y方向准直光斑的直径进行比例调整。

在聚焦应用领域，如专利申请CN113172336A，传统方法需要先利用准直镜将光纤激光器的出射光进行准直，再利用聚焦镜将准直光束汇聚，即便采用非球面透镜消相差，也至少需要两个透镜才能实现汇聚功能，而且由于前述准直部分的尺寸问题，仍不利于系统的小型化轻量化，传统的方法仍难以满足手持式焊接等对激光输出聚焦系统体积重量很敏感的应用。

因此，亟需开发紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，在高度集成减少光学元件数量的同时，具备实现在x方向和y方向准直且准直光斑直径非等长的功能，或具备实现在x方向和y方向聚焦的功能。

发明内容

本申请提供紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，解决现有激光输出系统占用空间体积大、光束整形系统复杂的问题。

第一方面，本申请提供一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头包括光纤与晶体端帽，其中，晶体端帽由与光纤熔接的光纤熔接段、激光传输扩束段和输出凹面，所述输出凹面用于扩大激光发散角，缩短达到目标光斑尺寸要求时所需的空间距离。

进一步的，所述输出凹面为自由曲面，自由曲面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中，z轴为激光输出头的主光轴，x轴和y轴和z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为输出凹面的基础面型，面型类型为双锥面，作用为扩大激光发散角，其中，/>，，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为输出凹面在基础面型/>上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，/>为/>多项式的系数,/>为/>多项式的系数，/>，/>为/>的系数，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

进一步的，所述输出凹面满足c _x =c _y 且k _x =k _y ，即所述输出凹面的基础面型为旋转对称凹面。

进一步的，所述输出凹面满足c _x >0且c _y =0，或c _x =0且c _y >0，即所述输出凹面为柱形凹面。

第二方面本申请提供一种激光器件，包括安装在如第一方面任一所述的一种激光输出头中输出凹面出射激光一侧、间距为L的凸透镜，所述凸透镜在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光。

进一步的，所述凸透镜为双凸柱面透镜，凸透镜的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为R _x0、R _y0，其中，曲率半径为R _x0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光，曲率半径为R _y0的柱面用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光。

进一步的，所述凸透镜为平凸透镜，凸透镜的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中,z轴为凸透镜（6）的光轴，x轴和y轴和z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为自由凸面的基础面型，面型类型为双锥面，作用在x方向和y方向准直或聚焦晶体端帽的出射光，其中，/>，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为自由凸面在基础面型/>上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，/>为/>的系数，/>为/>的系数，/>，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>为/>的系数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

第三方面，本申请提供一种紧凑化激光输出方法，包括如下步骤：基于第一方面任一所述的一种激光输出头实现，输出凹面出射激光到间距为L的凸透镜，凸透镜在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光。

进一步的，当所述凸透镜为双凸柱面透镜时，凸透镜的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为R _x0、R _y0其中，曲率半径为R _x0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光，曲率半径为R _y0的柱面用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽的出射光，通过设置，改变在x方向和y方向的等效焦距f _x 和f _y ，实现出射光的准直或聚焦所述出射光；在输出凹面（5）中，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；在凸透镜（6）中，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；L为输出凹面（5）到凸透镜（6）的距离。

进一步的，当所述凸透镜为平凸透镜时，凸透镜的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中，z轴为凸透镜（6）的光轴，为自由凸面的基础面型，面型类型为双锥面，作用在x方向和y方向准直晶体端帽的出射光，其中，/>，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为自由凸面在基础面型/>上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，/>为/>的系数，/>为/>的系数，/>，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>为/>的系数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数；

本申请的有益效果：

本申请通过将激光输出头晶体端帽激光出射面设置为凹面，并在x方向和y方向两个相互垂直方向设置相同或不同的曲率半径，分别从两个方向增大从输出头晶体端帽出射激光的发散角，在凸透镜的镜面上获得相同的光斑尺寸所需的间距L减小，即缩短了光程，有利于实现紧凑化。

在准直应用领域，由于出射激光的发散角可根据输出头晶体端帽凹面的曲率半径进行调整，因此从输出头晶体端帽出射激光可以在x方向和y方向上具有不同的发散角，再配合与晶体端帽输出凹面相匹配的凸透镜，从而实现在x方向和y方向光斑直径非等长的非对称光斑准直输出。由于只需要一个匹配的凸透镜即可在实现光束准直的同时实现输出光斑的非对称整形效果，无需传统方法中准直后再进行非对称扩束的过程，大幅简化了系统结构，有利于实现系统的紧凑化。

在聚焦应用领域，本申请减少了光学元件的数量以及空间占用，可以实现系统的小型化轻量化，以满足手持式焊接等对激光输出聚焦系统体积重量很敏感的应用。

综上，本申请提供了紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，核心光学部件仅需使用一个带输出凹面的晶体端帽和一个凸透镜，即可在较小空间占用的情况下分别对光纤激光器输出激光在x方向和y方向上实现准直及非对称扩束整形，或在x方向和y方向上实现聚焦。本申请结构简单，大幅精简了光路，减少了光学元件，降低了系统装置的体积。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：

图1为现有技术晶体端帽示意图。

图2为本申请示例性实施例提供的一种晶体端帽示意图。

图3为本申请示例性实施例提供的又一种晶体端帽示意图。

图4为本申请示例性实施例提供的紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件局部光路示意图。

图5为本申请示例性实施例提供的一种激光器件的凸透镜示意图。

图6为本申请示例性实施例提供的又一种激光器件的凸透镜示意图。

图7为本申请示例性实施例提供的晶体端帽凹面的自由曲面面型示意图。

图8为本申请示例性实施例提供的凸透镜出射面的自由曲面面型示意图。

图9为本申请示例性实施例提供的准直光斑分布示意图。

图10为本申请示例性实施例提供的又紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件局部光路示意图。

图中：

1、光纤；2、晶体端帽；3、光纤熔接段；4、激光传输扩束段；5、输出凹面；6、凸透镜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

现有激光输出系统由于光路长、光学元件多，如果需要对x方向和y方向进行整形，还需要使用多组柱面镜，结构复杂，体积大，应用不便。

本申请通过将激光输出头晶体端帽激光出射面设置为凹面，并在x方向和y方向两个相互垂直方向设置相同或不同的曲率半径，不仅可以压缩与凸透镜之间的间距，同时由于

从输出头晶体端帽出射激光可以在x方向和y方向上具有不同的发散角，再配合与晶体端帽输出凹面相匹配的凸透镜，从而实现在x方向和y方向光斑直径非等长的非对称光斑准直输出，相较于传统方式大幅精简了光路，减少了光学元件，降低了系统装置的体积，可满足多种场景的激光准直、扩束、整形需求。

实施例1：

本申请提供一种激光输出头，激光输出头包括光纤1与晶体端帽2，其中，晶体端帽2由与光纤1熔接的光纤熔接段3、激光传输扩束段4和输出凹面5组成，如图2所示，所述输出凹面5用于扩大激光发散角，且输出凹面5为自由曲面，满足方程：

其中，z轴为激光输出头的主光轴，x轴和y轴和z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为输出凹面5的基础面型，面型类型为双锥面，作用为扩大激光发散角，其中，，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中为输出凹面在基础面型/>上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，/>为/>多项式的系数,/>为/>多项式的系数，/>，/>为/>的系数，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

实施例2：

图2为本申请示例性实施例提供的一种晶体端帽2，在实施例1的基础上，输出凹面5满足c _x =c _y 且k _x =k _y ，即所述输出凹面5的基础面型为旋转对称凹面。

实施例3：

图3为本申请示例性实施例提供的又一种晶体端帽2。在实施例1的基础上，输出凹面5满足c _x >0且c _y =0，或c _x =0且c _y >0，即所述输出凹面5为柱形凹面。

实施例4：

本申请提供一种激光器件，用于准直如实施例1或2或3的一种晶体端帽2的输出端的出射光，包括安装在所述输出凹面5出射激光一侧的、间距为L凸透镜6，如图4所示，所述凸透镜6分别在在x方向和y方向准直所述出射光，准直后出射光的光斑直径为D _x 和D _y 。

实施例5：

图5为本申请示例性实施例提供的一种激光器件的凸透镜6，凸透镜6为双凸柱面透镜，凸透镜6的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为R _x0、R _y0，其中，R _x0用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽2的出射光，R _y0用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽2的出射光。

实施例6：

图6为本申请示例性实施例提供的又一种激光器件的凸透镜6，凸透镜6为平凸透镜，凸透镜6的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标（x，y，z）满足方程：

其中，为自由凸面的基础面型，面型类型为双锥面，作用在x方向和y方向准直或聚焦晶体端帽2的出射光，其中，/>，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为自由凸面在基础面型/>上叠加的多项式面型，作用为减少像差，其中，其中，/>为/>的系数，/>为/>的系数，/>，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>为/>的系数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

实施例7：

本实施例提供紧凑化激光输出方法、激光输出头和激光器件，所述系统由激光输出头和一种激光器件所组成，通过设置，改变在x方向和y方向的等效焦距f _x 和f _y ，实现出射光的准直或聚焦所述出射光；

在输出凹面（5）中，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；

在凸透镜（6）中，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

L为输出凹面（5）到凸透镜（6）的距离。

基于实施例6和实施例7的具体实施例8：

在具体的准直应用中，紧凑化激光输出系统光路如图4，激光输出头的光纤1的纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06，激光波长为1064nm，晶体端帽输出凹面5直径为8mm，晶体端帽整体长度为20mm，光轴坐标为(0,0)，晶体端帽材料为融石英，光纤通过加热与晶体端帽熔接，晶体端帽输出凹面5在x方向的曲率半径R _x =8.43mm，正数表示凹面，在y方向的曲率半径R _y =51.874mm，正数表示凹面，k _x =0，k _y =0，高阶x多项式和高阶y多项式的系数以及Zernike多项式的系数均为0，晶体端帽凹面的自由曲面面型如图7所示。凸透镜6入射面为平面，出射面为自由曲面，出射面在x方向曲率半径为R _x =-52.379mm，负数表示凸面，在y方向的曲率半径为R _y =-53.930mm，负数表凸示面，k _x =0，k _y =0，高阶x多项式和高阶y多项式的系数以及Zernike多项式的系数均为0，凸透镜出射面的自由曲面面型如图8所示。

凸透镜6与晶体端帽输出凹面5的距离L为100mm，准直后x方向光斑直径D _x =24mm，y方向光斑直径为D _y =16mm，准直后的非对称光斑分布如图9所示。

实施例9：

在具体的聚焦应用中，紧凑化激光准直输出系统光路如图10。激光输出头的光纤1的纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06，激光波长为1064nm，晶体端帽输出凹面5直径为8mm，端帽晶体整体长度为20mm，光轴坐标为(0,0)，晶体端帽材料为融石英，光纤通过加热与晶体端帽熔接，晶体端帽输出凹面5在x方向的曲率半径R _x =50mm，正数表示凹面，在y方向的曲率半径R _y =50mm，正数表示凹面，k _x =0，k _y =0，高阶x多项式和高阶y多项式的系数以及Zernike多项式的系数均为0。

凸透镜6入射面为平面，出射面为自由曲面，在x方向曲率半径为R _x =-52.379mm，负数表示凸面，在y方向的曲率半径为R _y =-53.930mm，负数表示凸面，k _x =-0.819，k _y =-0.819，高阶项系数均为0。

凸透镜6与晶体端帽输出凹面5的距离L为100mm。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或系统。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由上面的权利要求书指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头包括光纤（1）与晶体端帽（2），其中，晶体端帽（2）由与光纤（1）熔接的光纤熔接段（3）、激光传输扩束段（4）和输出凹面（5）。

2.根据权利要求1所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）为自由曲面，自由曲面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中,z轴为激光输出头的主光轴，x轴和y轴和z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为输出凹面（5）的基础面型，面型类型为双锥面，其中，/>，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为输出凹面（5）在基础面型/>上叠加的多项式面型，其中，/>为/>多项式的系数, />为/>多项式的系数，/>，/>为/>的系数，/>为Zernike多项式的第j项函数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

3.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足c _x =c _y 且k _x =k _y ，即所述输出凹面（5）的基础面型为旋转对称凹面。

4.根据权利要求2所述的一种激光输出头，其特征在于，所述输出凹面（5）满足c _x >0且c _y =0，或c _x =0且c _y >0，即所述输出凹面（5）为柱形凹面。

5.一种激光器件，其特征在于，包括安装在如权1-4任一所述的一种激光输出头中输出凹面（5）出射激光一侧、间距为L的凸透镜（6），所述凸透镜（6）在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。

6.根据权利要求5所述的一种激光器件，其特征在于，所述凸透镜（6）为双凸柱面透镜，凸透镜（6）的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为R _x0、R _y0，其中，曲率半径为R _x0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光，曲率半径为R _y0的柱面用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。

7.根据权利要求5所述的一种激光器件，其特征在于，所述凸透镜（6）为平凸透镜，凸透镜（6）的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中，z轴为凸透镜（6）的光轴，x轴和y轴和z轴相互垂直形成三维直角坐标系，为自由凸面的基础面型，面型类型为双锥面，作用在x方向和y方向准直晶体端帽（2）的出射光，其中，，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中，为自由凸面在基础面型/>上叠加的多项式面型，其中，/>为/>的系数，为/>的系数，/>，/>为Zernike多项式的第j项函数， />为/>的系数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。

8.一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一所述的一种激光输出头实现，输出凹面（5）出射激光到间距为L的凸透镜（6），凸透镜（6）在x方向和y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光。

9.根据权利要求8所述的一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，当所述凸透镜（6）为双凸柱面透镜时，凸透镜（6）的迎光面和出光面均为柱面，两个柱面的轴线相互垂直分别为x轴、y轴，柱面的曲率半径分别为R _x0、R _y0，其中，曲率半径为R _x0的柱面用于在y方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光，曲率半径为R _y0的柱面用于在x方向准直或聚焦所述晶体端帽（2）的出射光，通过设置，改变在x方向和y方向的等效焦距f _x 和f _y ，实现出射光的准直或聚焦所述出射光；

在输出凹面（5）中，R _x 和R _y 分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x 和k _y 分别为x方向和y方向的圆锥系数；

在凸透镜（6）中，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

L为输出凹面（5）到凸透镜（6）的距离。

10.根据权利要求8所述的一种紧凑化激光输出方法，其特征在于，当所述凸透镜（6）为平凸透镜时，凸透镜（6）的迎光面或出光面为平面，另一个面为自由凸面，自由凸面的坐标(x,y,z)满足方程：

其中，为自由凸面的基础面型，面型类型为双锥面，作用在x方向和y方向准直或聚焦晶体端帽（2）的出射光，其中，/>，R _x0和R _y0分别为x方向和y方向的曲率半径，k _x0和k _y0分别为x方向和y方向的圆锥系数；

其中， 为自由凸面在基础面型/>上叠加的多项式面型，其中，/>为/>的系数，为/>的系数，/>，/>为Zernike多项式的第j项函数， />为/>的系数，/>，其中，N为不大于16的自然数，M为不大于210的自然数。