CN117891079A - 一种高斯光束整形系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳集成光学技术领域，公开了一种高斯光束整形系统及设计方法，高斯光束整形系统由单模光源至阵列均匀点阵结构的方向依次包括第一准直透镜、高斯光束聚焦透镜和第二准直透镜，第一准直透镜靠近单模光源，第一透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现发散的高斯光束的准直，输出光斑光强分布仍维持高斯特性；高斯光束聚焦透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现将第一透镜准直的高斯光束整形为平顶光束；第二准直透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现将聚焦透镜整形汇聚的平顶光束准直扩束目的。
Description
技术领域
本发明涉及微纳集成光学技术领域，具体为一种高斯光束整形系统及设计方法。
背景技术
常规的光束空间整形的方法有很多，例如光阑拦截法、微透镜阵列整形法、衍射光学元件法、非球面透镜组法、相位性型光束整形法，透过率为反高斯分布的吸收滤光镜法、晶空间光调制器法等，都可以实现光束进空间分布的均匀化。
光阑拦截法，通过光阑拦截获得局部均匀光强方法，该方式光强损失严重；
微透镜阵列整形法，主要是微透镜阵列进行入射激光光束分割后，再经过球面聚焦镜将分割子通道激光束在靶面上重叠起来，实现均匀照明，该方式对入射光束的强度分布不敏感，适合光强分布不规则，相干性差的准分析激光器激多模激光光束的整形。
衍射光学元件(二元光学元件--BOE),该方法建立在衍射理论和惠更斯-菲涅尔衍射积分公时基础上，设计难度较大，涉及了光学、计算机技术、精细微加工、光刻技术等多学科交叉，此外器件的生产制造上受一些加工条件限制。
专利号PCN230011586中均匀点阵系统，要求B2B的均匀性＞90％，光斑＜10μm，要满足其需求，则需要输出的面光源准直度＜0.6°，且光斑空间光强分布具有平顶光束特性，且均匀性＞90％，一般单模光纤激光光源发出的高斯光束一般具有一定发散角，且光斑光强分布为高斯特性，经过准直透镜后角度减小，但输出光斑特性依旧保持高斯特性，因此无法满足均匀点阵系统对输入光斑要求。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高斯光束整形系统及设计方法，以解决如何实现将具有发散角的单模高斯光束整形为高准直性均匀光斑的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高斯光束整形系统，所述高斯光束整形系统位于单模光源和阵列均匀点阵结构之间，所述高斯光束整形系统由单模光源至阵列均匀点阵结构的方向依次包括第一准直透镜、高斯光束聚焦透镜和第二准直透镜；所述第一准直透镜靠近单模光源，所述第二准直透镜靠近阵列均匀点阵结构，所述第一准直透镜的面型为平凸非球面型，其中平面面型朝向单模光源，所述高斯光束聚焦透镜的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源，所述第二准直透镜的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源。
优选的，第一准直透镜和高斯光束聚焦透镜的直径范围为0.7mm～1.0mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm；第二准直透镜的直径范围为2.0mm～3mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm。
优选的，第一准直透镜的输出光斑直径范围为1mm～1.5mm，且准直角度＜±2.4°；所述高斯光束聚焦透镜的输出光斑直径范围为0.008mm～0.01mm，数值孔径＜0.14；所述第二准直透镜的输出光斑直径范围为2.5mm～3mm，准直角度＜±0.6°。
优选的，第二准直透镜与高斯光束聚焦透镜的直径的比值范围为2.5～3；第二准直透镜与高斯光束聚焦透镜的焦距比值范围为2.5～3。
优选的，第二准直透镜的出射准直光束角度与高斯光束聚焦透镜的入射准直光束角度比值范围0.2～0.3。
一种高斯光束整形系统的设计方法，基于上述所述的一种高斯光束整形系统，包括如下过程：
单模光源通过单模激光器经过单模光纤输出，其中单模光源为具有发散角的高斯光束经过第一准直透镜准直后，输出具有高斯特性分布的准直光束，再经过高斯光束聚焦透镜整形，该高斯光束聚焦透镜将准直的高斯光束聚焦整形为平顶光束，最后经过第二准直透镜将聚焦平顶光束再准直成平行光束至阵列均匀点阵结构，将具有一定发散角度的高斯光束整形为高准直度的平顶光束。
优选的，经过第二准直透镜输出的平行光束均匀性大于90％，准直角度小于±0.6°。
优选的，第一准直透镜和高斯光束聚焦透镜的折射率为1.515，其中第一准直透镜和高斯光束聚焦透镜的材质为玻璃材质。
优选的，第一准直透镜的焦距＞0.3mm，且光线入射面为平面。
优选的，第一准直透镜、高斯光束聚焦透镜和第二准直透镜均双面镀增透膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种高斯光束整形系统，高斯光束整形系统由单模光源至阵列均匀点阵结构的方向依次包括第一准直透镜、高斯光束聚焦透镜和第二准直透镜，第一准直透镜靠近单模光源，第一透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现发散的高斯光束的准直，输出光斑光强分布仍维持高斯特性；高斯光束聚焦透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现将第一透镜准直的高斯光束整形为平顶光束；第二准直透镜面型为平凸非球面，平面朝向光源面，主要是实现将聚焦透镜整形汇聚的平顶光束准直扩束目的。
本发明还提供了一种高斯光束整形系统的设计方法，首先主要是将具有发散角度的高斯光束准直为平行光，再对准直后的高斯光束进行整形，实现高斯光束到平顶光束的转化，最后是对整形后的平顶光束进行准直，且保证平顶光束特性不变。成像方法采用传统折射透镜方式，避免了非规则扩散片、微透镜阵列+聚焦透镜技术的缺点。本发明中对于不同分布形式高斯光束均有效，系统透镜均采用常规的折射率1.515的玻璃材料，加工难度及成本均较低。
附图说明
图1为本发明中高斯光束整形系统的系统光路示意图；
图2为本发明中高准直性均匀光斑入射微透镜阵列光斑效果示意图；
图3为本发明中高准直性高斯光斑入射微透镜阵列光斑效果示意图；
图4为本发明中光束整形目标示意图；
图5为本发明中第一准直透镜和高斯光束聚焦透镜通光孔径计算示意图；
图6为本发明中高斯光束聚焦透镜与第二准直透镜结构示意图；
图7为本发明中第一准直透镜的优化结果示意图；
图8为本发明中聚焦透镜高斯光束转化均匀光斑结果示意图；
图9为本发明中第二准直透镜准直平顶光束效果示意图；
图10为本发明中lighttools验证及进一步优化结果示意图；
图中：1-单模光源；2-第一准直透镜；3-高斯光束聚焦透镜；4-第二准直透镜；5-阵列均匀点阵结构。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明的目的在于提供一种高斯光束整形系统及设计方法，以解决如何实现将具有发散角的单模高斯光束整形为高准直性均匀光斑的技术问题。
参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种高斯光束整形系统，高斯光束整形系统位于单模光源1和阵列均匀点阵结构5之间，高斯光束整形系统由单模光源1至阵列均匀点阵结构5的方向依次包括第一准直透镜2、高斯光束聚焦透镜3和第二准直透镜4；所述第一准直透镜2靠近单模光源1，所述第二准直透镜4靠近阵列均匀点阵结构5，所述第一准直透镜2的面型为平凸非球面型，其中平面面型朝向单模光源1，所述高斯光束聚焦透镜3的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源1，所述第二准直透镜4的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源1。
其中，如图2所示，当具有平顶光束特性的平行光入射到阵列均匀点阵结构5时，输出多组均匀的点阵，均匀性＞90％，如图3所示，当具有高斯特性的平行光入射到阵列均匀点阵结构5时，输出多组均匀的点阵，光斑呈现中心强，边缘弱的特性，均匀性无法满足。
根据图4所示，为了实现图2效果，则需要实现具有一定发散角的高斯光束整形为具有平顶光束的平行光。
本发明中第一准直透镜2主要是实现发散的高斯光束的准直，输出光斑光强分布仍维持高斯特性；高斯光束聚焦透镜3实现将第一透镜准直的高斯光束整形为平顶光束；第二准直透镜4主要是实现将聚焦透镜整形汇聚的平顶光束准直扩束作用。
具体的，第一准直透镜2和高斯光束聚焦透镜3的直径范围为0.7mm～1.0mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm；第二准直透镜4的直径范围为2.0mm～3mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm。
具体的，第一准直透镜2可采用平凸非球面，输出光斑直径范围为1mm～1.5mm，且准直角度＜±2.4°；所述高斯光束聚焦透镜3可采用平凸非球面/双凸非球面，输出光斑直径范围为0.008mm～0.01mm，数值孔径＜0.14；所述第二准直透镜4可采用平凸非球面/双凸非球面，输出光斑直径范围为2.5mm～3mm，准直角度＜±0.6°。
具体的，第二准直透镜4与高斯光束聚焦透镜3的直径的比值范围为2.5～3；第二准直透镜4与高斯光束聚焦透镜3的焦距比值范围为2.5～3。
具体的，第二准直透镜4的出射准直光束角度与高斯光束聚焦透镜3的入射准直光束角度比值范围0.2～0.3。
该系统设计时分为三步骤进行，第一步主要是将具有发散角度的高斯光束准直为平行光。第二步再对准直后的高斯光束进行整形，实现高斯光束到平顶光束的转化。第三步，是对整形后的平顶光束进行准直，且保证平顶光束特性不变。且该系统采用传统折射透镜方式，避免了非规则扩散片、微透镜阵列+聚焦透镜技术的缺点。
本发明中还提供了一种高斯光束整形系统的设计方法，基于上述所述的一种高斯光束整形系统，包括如下过程：
单模光源1通过单模激光器经过单模光纤输出，其中单模光源1为具有发散角的高斯光束经过第一准直透镜2准直后，输出具有高斯特性分布的准直光束，再经过高斯光束聚焦透镜3整形，该高斯光束聚焦透镜3将准直的高斯光束聚焦整形为平顶光束，最后经过第二准直透镜4将聚焦平顶光束再准直成平行光束至阵列均匀点阵结构5，将具有一定发散角度的高斯光束整形为高准直度的平顶光束。
具体的，经过第二准直透镜4输出的平行光束均匀性大于90％，准直角度小于±0.6°。
具体的，第一准直透镜2和高斯光束聚焦透镜3的折射率为1.515，其中第一准直透镜2和高斯光束聚焦透镜3的材质为玻璃材质，加工难度及成本均较低。
具体的，第一准直透镜2的焦距＞0.3mm，且光线入射面为平面。
具体的，第一准直透镜2、高斯光束聚焦透镜3和第二准直透镜4均双面镀增透膜。
实施例
根据图1所示，本实施例提供了一种高斯光束整形系统示意图，该系统包含了第一准直透镜2、高斯光束聚焦透镜3和第二准直透镜4、阵列均匀点阵结构5。系统光路描述为，一束发散角为11°系统光路描述为，且入射波长为532nm的高斯光束，经过第一准直透镜2准直为平行光，再经过高斯光束聚焦透镜3整形为平顶光束，再经过第二准直透镜4准直为具有平顶光束特性的平行光，再入射到阵列均匀点阵结构5聚焦形成均匀的点阵光斑。实现输出光斑直径＜10μm，子通道聚焦光斑能量均匀性＞85％，杂光＜1％的目标。
根据图2～图4所示，表示光束整形转化的必要性及目的。
根据图5所示，第一准直透镜2与高斯光束聚焦透镜3的直径一致，第一准直透镜2的通光口径大小取决于光源的发散角、光源与第一准直透镜2的工作距离、第一准直透镜2的准直角度、第一准直透镜2与高斯光束聚焦透镜3之间的距离相关，本实施案例中，光源为单模光纤激光器，数值孔径为0.14，光源距离第一准直透镜2的物距3～5mm，则准直角度＜1°时，则光源经过准直镜1后光束直径D1计算如下：
θ＝arcsin(0.14)＝8.1° (1)
D1＝2*4*tan(8.1)≈1.1mm (2)
经过ZEMAX优化准直角度＜1度，且第一准直透镜2与高斯光束聚焦透镜3的间距＜10mm，高斯光束聚焦透镜3的直径与第一准直透镜2的直径相等，取0.15mm；高斯光束聚焦透镜3的输入光斑的角度θ2等于准直镜输出准直光束角度θ1，即
D2＝D1 (3)
θ2＝θ1 (4)
根据图6所示，高斯光束聚焦透镜3和第二准直透镜4组成扩束望远镜系统，在扩束望远镜系统，设入射高斯光束的发散角为θ2，经过高斯光束聚焦透镜3后高斯光束发散角θ3，则望远镜对高斯光束的准直倍率M定义为M＝θ2/θ3；如图6所示，输入镜将入射的激光束聚焦在前焦平面上，新的束腰和ω02和发散角θ02为
则
式中，ω(Z)为入射激光束在入射镜上光束半径，Z是入射激光束腰与入射镜距离，f2为入射镜的焦距，因为ω02落在聚焦镜的后焦平面上，并且第二准直透镜4焦距f3大于聚焦镜的焦距，光束准直倍率如下：
式中M′＝f3/f2,θ2和ω02是入射光束的发散角和束腰，经过扩束镜后，束腰ω03和发散角θ3：
ω03＝M*ω(Z) (11)
由式(10)、(11)可知，扩束倍数与准直倍率不仅与扩束镜的参数相关，还与激光参数和扩束镜的位置有关，扩束镜的功能是降低激光束的发散角，控制输出光束输出直径。
由于ω02’需要严格在透镜f3的焦面上，而透镜f2只讲光束近似聚焦在它的焦点附件，所以两透镜间的距离不再是严格的f2+f3，而是有所偏离，在调节时，需要考虑。
根据图6所示，第二准直透镜4输出光斑的大小取决于阵列均匀点阵结构5大小，及系统透过率＞50％要求，则第二准直透镜4输出的光斑直径约为1.1倍微透镜阵列即可，边界预留0.1mm安装间隙及0.1mm对位偏差。实施案例中，微透镜阵列13*13，阵列间距150μm，则阵列透镜直径
D＝12*0.15mm+0.2*2＝2.2mm
则第二准直透镜4输出光束直径取2.5mm，即扩束比M＝2.5/1.1＝2.27倍；第二准直透镜4输出准直镜角度：准直角度进一步缩小。由于输出光束需进一步保持聚焦镜f2输出光束的平顶特定，准直角度会增加，但仍需保持小于±0.6°要求。
根据图6所示，由聚焦镜f2和准直镜f3组成的扩束望远镜系统，聚焦镜f2和准直镜f3之间的间隔决定了系统扩束比、系统的共轭距离，系统共轭距离受限于系统长度限制，取共轭距离100mm.则
M′＝f3/f2＝3
f2+f3＝100mm
推导可知：
f2＝25mm，f3＝75mm
经过上述推导，单模激光器整形系统各个透镜参数基本确定该系统设计分三步优化。
根据图7所示，第一步，由单模激光器经过单模光纤耦合输出具有发散角的高斯光束，经过第一准直透镜2的准直优化，输出光斑直径1.1mm；输出准直光束光强分布仍满足高斯分布。
根据图8所示，第二步，经过第一准直透镜2输出平行光束，经过宏程序优化，经过高斯光束聚焦透镜3的聚焦整形，实现第一准直透镜2输出高斯光束到平顶光束的光束整形。该平顶光束位置距离聚焦镜位置100mm处，即准直镜2固定处。
根据图9所示，第三步，第一准直透镜2输出平顶光束，再经过第二准直透镜4准直优化，整形为平行光，角度＜±0.6度，输出光强分布满足平顶光束特性。
根据图10所示，ZEMAX按照上述三步优化完成后，系统参数代入Lighttools软件验证再次优化，均匀性＞90％以上。
经过验证该系统入射到阵列均匀点阵结构5后，满足子通道杂光＜0.5％，单通道透过率＞50％，单通道接受能量＞1mw，子通道接受光强均匀性＞98％，光斑直径＜10μm技术要求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高斯光束整形系统，所述高斯光束整形系统位于单模光源(1)和阵列均匀点阵结构(5)之间，其特征在于，所述高斯光束整形系统由单模光源(1)至阵列均匀点阵结构(5)的方向依次包括第一准直透镜(2)、高斯光束聚焦透镜(3)和第二准直透镜(4)；所述第一准直透镜(2)靠近单模光源(1)，所述第二准直透镜(4)靠近阵列均匀点阵结构(5)，所述第一准直透镜(2)的面型为平凸非球面型，其中平面面型朝向单模光源(1)，所述高斯光束聚焦透镜(3)的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源(1)，所述第二准直透镜(4)的面型为平凸非球面型，其中平面朝向单模光源(1)。
2.根据权利要求1所述的一种高斯光束整形系统，其特征在于，所述第一准直透镜(2)和高斯光束聚焦透镜(3)的直径范围为0.7mm～1.0mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm；第二准直透镜(4)的直径范围为2.0mm～3mm，厚度的直径范围为1.5mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的一种高斯光束整形系统，其特征在于，所述第一准直透镜(2)的输出光斑直径范围为1mm～1.5mm，且准直角度＜±2.4°；所述高斯光束聚焦透镜(3)的输出光斑直径范围为0.008mm～0.01mm，数值孔径＜0.14；所述第二准直透镜(4)的输出光斑直径范围为2.5mm～3mm，准直角度＜±0.6°。
4.根据权利要求1所述的一种高斯光束整形系统，其特征在于，所述第二准直透镜(4)与高斯光束聚焦透镜(3)的直径的比值范围为2.5～3；第二准直透镜(4)与高斯光束聚焦透镜(3)的焦距比值范围为2.5～3。
5.根据权利要求1所述的一种高斯光束整形系统，其特征在于，所述第二准直透镜(4)的出射准直光束角度与高斯光束聚焦透镜(3)的入射准直光束角度比值范围0.2～0.3。
6.一种高斯光束整形系统的设计方法，基于权利要求1-5任一项所述的一种高斯光束整形系统，其特征在于，包括如下过程：
单模光源(1)通过单模激光器经过单模光纤输出，其中单模光源(1)为具有发散角的高斯光束经过第一准直透镜(2)准直后，输出具有高斯特性分布的准直光束，再经过高斯光束聚焦透镜(3)整形，该高斯光束聚焦透镜(3)将准直的高斯光束聚焦整形为平顶光束，最后经过第二准直透镜(4)将聚焦平顶光束再准直成平行光束至阵列均匀点阵结构(5)，将具有一定发散角度的高斯光束整形为高准直度的平顶光束。
7.根据权利要求6所述的一种高斯光束整形系统的设计方法，其特征在于，经过第二准直透镜(4)输出的平行光束均匀性大于90％，准直角度小于±0.6°。
8.根据权利要求6所述的一种高斯光束整形系统的设计方法，其特征在于，所述第一准直透镜(2)和高斯光束聚焦透镜(3)的折射率为1.515，其中第一准直透镜(2)和高斯光束聚焦透镜(3)的材质为玻璃材质。
9.根据权利要求6所述的一种高斯光束整形系统的设计方法，其特征在于，所述第一准直透镜(2)的焦距＞0.3mm，且光线入射面为平面。
10.根据权利要求6所述的一种高斯光束整形系统的设计方法，其特征在于，所述第一准直透镜(2)、高斯光束聚焦透镜(3)和第二准直透镜(4)均双面镀增透膜。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410032420.1A CN117891079A (zh) | 2024-01-09 | 2024-01-09 | 一种高斯光束整形系统及设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410032420.1A CN117891079A (zh) | 2024-01-09 | 2024-01-09 | 一种高斯光束整形系统及设计方法 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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| CN202410032420.1A Pending CN117891079A (zh) | 2024-01-09 | 2024-01-09 | 一种高斯光束整形系统及设计方法 |
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2024
- 2024-01-09 CN CN202410032420.1A patent/CN117891079A/zh active Pending
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