专利名称：：一种实现光束均匀化的方法及光学器件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及光学领域，尤其涉及一种实现光束均匀化的方法及光学器件。
背景技术：
：随着LD(LaserDiode，激光二极管)、LED(LightEmittingDiode,发光二级光)、VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,垂直腔面发射半导体激光器)等半导体激光器、固体激光器和气体激光器应用日益广泛，非均匀光束，尤其是高斯光束的均匀化在许多应用领域中成为非常必要的问题。如激光照射，测距，自由空间光通信、激光泵浦、全息照相、相干光数据处理、高分辨动态红外雷达系统、激光打孔、激光打标、激光焊接、激光影印及光信息技术等的很多应用领域均要求光束均匀照射目标。目前，对不均匀光束的均匀化都是采用多片镜片对不均匀光束进行均匀化，请参见图1所示，图1为现有技术中实现光束均匀化的原理示意图，该方法利用分束装置将所述光源1传来的光束转换成多条近似平行的光束，该分束装置包括第一分束镜11和第二分束镜12;利用光叠合装置，用来将所述多条光束叠合以形成一比光源所发出原光束更为均匀的叠合光束，该叠合装置包括第一叠合透镜21和第二叠合透镜22,利用第一叠合透镜21，为一凸透镜，设于在分束装置的后侧，用来接收所述分束装置传来的多条近似平行的光束，利用第二叠合透镜22,为一凹透镜，平行地设置于第一叠合透镜之后且位于所述第一叠合透镜的焦距之内，用来接收所述第一叠合透21镜所传来的多条光束，其中，第一叠合透镜21与第二叠合透镜22的光轴相互重合以形成一中心轴。还有一种采用非球面透镜实现光束均匀化的方法，请参见图2和图3所示，图2为采用多片非球面透镜实现光束均匀化的实施例原理示意图，图3为采用多片非球面透镜实现光束均匀化的另一实施例原理示意图，图2中的201和202以及图3中301和302均为非球面透镜，采用光程差相等原理，推出了伽利略和开普勒两种高斯光束均匀化系统。图2中第一个平凹(平凸)非球面透镜把高斯光束发散(汇聚)后通过第二个凸平非球面透镜后，出射光束为均匀分布光束；图3中第一个平凸非球面透镜把高斯光束汇聚后通过第二个凸平非球面透镜后，出射光束为均匀分布光束，该系统很多时候也采用3片或3片以上的透镜来实现对应非均匀光束的均匀化。图1、图2或图3所示的实现光束均匀化的系统，此种方法需要多片镜片或需要采用两个高次非球面的非球面透镜，这样数量较多的光学器件的调试过程很复杂，因此也容易导致误差的出现，同时这样的光学系统的制造成本和制造难度都非常高，不容易实现大规模的使用。
发明内容本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种实现光束均匀化的方法及光学器件，能够利用单个光学元件对非均匀光束进行有效的均匀化，并节省成本。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种实现光束均匀化的方法，包括光学器件的第一非球面接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦；光学器件的第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束，所述第二非球面的弯曲方向和所述第一非j求面的弯曲方向一致。相应的，本发明实施例提供一种光学器件，包括第一非球面，所述第一非球面用于接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦；第二非球面，所述第二非球面通过改变经所述第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束，所述第二非球面的弯曲方向和所述第一非球面的弯曲方向一致。本发明实施例通过利用双非球面透镜的第一非球面来接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦，利用第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束的方法能够采用最少的光学器件完成非均匀光束的均匀化，避免多个光学器件的复杂调试，同时节约了使用成本和制造成本。图1为现有技术中实现光束均匀化的原理示意图2为采用多片非球面透镜实现光束均匀化的实施例原理示意图3为采用多片非球面透镜实现光束均匀化的另一实施例原理示意图4为本发明实施例实现光束均匀化的方法流程示意图5为本发明实施例实现光束均匀化的光学器件及其光路的一实施例示意图6为本发明实施例实现光束均匀化的光学器件及其光^^的另一实施例示意图。具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述。请参见图4，图4为本发明实施例实现光束均匀化的方法流程示意图。本发明实施例中的光学器件为双非球面透镜，所采用的非均匀光束为高斯光束，由于其他的能够用公式表达的非均匀化光束仅在光线分布上与高斯光束不同，其原理相同，因此不再赘述。如图2所示，该方法包括步骤S101,光学器件第一非球面接收输入的激光高斯光束后将光束进行发散或者聚焦。双非球面透镜的两个非球面具有相同的弯曲方向，且满足非球面方禾呈z(r)=——,"+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er'°+Fr12+……；其l+Vl_(l+k)c2k2中，r为透镜的口径，Z轴为透镜纵向，z(r)为透镜的弧矢高度，A、B、C、D、E、F......为高次非球面系数，k为二次曲面系数，c为曲率。当第一非球面接收到准直输入的辐射分布为J=pexp{-(2r2/w2)}("<及)(CO为1/e2时激光束腰，p为激光功率，R为光斑直径)的激光高斯光束，首先将该入输入光束进行发散或者聚焦。因为第一非球面对输入的高斯光束的发散或者聚焦，因此在能够在步骤S102,光学器件的第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束。光学器件的两个非球面满足输出的准直为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的高斯光束的强度，其中，基本误差为冲艮据光束均匀化精度得出的误差。非球面可以通过自身各点不同的曲率对经第一非球面发散或聚焦后光束的相位进行重新排布输出准直为均匀分布的平顶光束。第一非球面和第二非球面的规格可以由高斯光束的辐射分布和为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的高斯光束的强度，即&=^^,以及需要得到的均匀化平顶光束的光线分布来进行具体设置，通常情况下输出的均匀化平顶光光斑为对称型，这种对称型的平顶光束在实际使用中应用最为广泛，输出光束的光线分布可得到为，iZ-丄V(1-exP((-2如"/AfM)，n=l、2……N。(参数的含义)例如一入射激光高斯光束，光斑直径7.5mm，要在8米处得到直径40mm均匀分布平顶光束，第一非球面和第二非球面的规格请参见表l-表3，其中，表2中的透镜厚度为第一非球面的中心到第二非球面中心的厚度，透镜的材料K9的折射率为1.52。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>采用表l-表3所示规格的双非球面透镜的均匀化方法为一般光束扩束类型，即采用通过增大输出光束光斑而压缩光束发散角，此类型应用较广泛，如激光测距，自由空间光通信等。当第一非球面接收到光斑为7.5mm的输入的激光高斯光束后对该光束进行发散，再通过第二非球面后，通过调整激光高斯光束的相位对高斯光束进行均匀化，在8米处获得直径为40mm的均匀化的平顶光束。当然也可以通过压缩输出光束光斑而增大光束发散角度，此类主要用于照明等方面，例如一入射激光高斯光束，光斑直径5.2mm，要在1.5米处得到直径26mm均匀分布平顶光束，那么光学器件的第一非球面和第二非球面的规格可以由高斯光束的辐射分布和为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的高斯光束的强度，即4〃。w，以及需要得到的均匀化平顶光束的光线分布来进行具体设置，第一非球面和第二非球面的规格请参见表4-表6,其中，表5中透镜的材料K9的折射率为1.52。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表5<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>当第一非球面接收到光斑为5.2mm的输入的激光高斯光束后对该光束进行汇聚，再通过第二非球面后，通过调整激光高斯光束的相位对高斯光束进行均匀化，在1.5米处获得直径为26mm的均匀化的平顶光束。采用本发明实施例的方法能够采用最少的光学器件完成非均匀光束的均匀化，避免多个光学器件的复杂调试，同时节约了使用成本和制造成本。为了达到更好的使用效果，制作光学器件的材料的折射率不小于1.4，能够在容易加工的前提下达到更好的光学性能。参见表2和表5，材料均为K9材料，其折射率为1.52。材料不仅可用于常规k9光学玻璃，也可以用于满足特征折射率在1.4以上的晶体材料和光学塑料。请参见图5所示，图5为本发明实施例实现光束均匀化的光学器件及其光路的一实施例示意图。所釆用的非均匀光束为高斯光束，由于其他的能够用公式表达的非均匀化光束仅在光线分布上与高斯光束不同，其原理相同，因此不再赘述。如图2所示，该光学器件包括第一非球面10和第二非球面20;其中，第二非球面20的弯曲方向和第一非球面10的弯曲方向一致，均满足方程z(r)-——,:+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er'"+Fr1、……；其中，r1+^1-(l+k)c2k2为透镜的口径，Z轴为透镜纵向，z(r)为透镜的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……为高次非3求面系数，k为二次曲面系^:,c为曲率。第一非球面10,该非球面用于接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散。当第一非球面10接收到准直输入的辐射分布为/=;^邓{-(2,/^2》((O为1/e2时激光束腰，p为激光功率，光斑直径为R时，r<R)的激光高斯光束，首先将该入输入光束进行发散。因为第一非球面IO对输入的高斯光束的发散，因此在能够在实现高斯光束均匀化输出平顶光束的同时实现光束的扩束。当然，第一非球面IO除了实现对激光高斯光束的扩散，还可以通过调整弯曲方向或者调整激光高斯光束的输入方向对接收到的激光高斯光束进行聚焦，请参见图6所示，图6为本发明实施例实现光束均匀化的光学器件及其光路的另一实施例示意图。如图4所示，当第一非球面IO接收到准直输入的辐射分布为/=pexp{-(co为1/e2时激光束腰，p为激光功率，光斑直径为R时，r<R)的激光高斯光束，首先将该入输入光束进行聚焦。因为第一非球面10对输入的高斯光束的聚焦，因此在能够在实现高斯光束均匀化输出平顶光束的同时实现光束的压缩。第二非球面20,该非J求面通过改变经第一非3求面IO发散后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束。第一非球面10和第二非3求面20满足输出的准直为均勻分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的高斯光束的强度，其中，基本误差为根据光束均匀化精度得出的误差。非球面可以通过自身各点不同的曲率对经第一非球面发散或聚焦后光束的相位进行重新排布，输出准直为均勻分布的平顶光束。第一非球面10和第二非球面20的规格可以由高斯光束的辐射分布和为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的高斯光束的强度，即^=/。^,以及需要得到的均匀化平顶光束的光线分布来进行具体设置，通常情况下输出的均匀化平顶光光斑为对称型，这种对称型的平顶光束在实际使用中应用最为广泛，输出光束的光线分布可得到为，=—exp((—2x(ix"/W)2M),n=l、2......N。上述表1-表6已给出2个具体的例子，在此不再进行赘述。为了达到更好的使用效果，制作光学器件的材料的折射率不小于1.4，能够在容易加工的前提下达到更好的光学性能。参见表2和表5，材料均为K9材料，其折射率为1.52。材料不仅可用于常规k9光学玻璃，也可以用于满足特征折射率在1.4以上的晶体材料和光学塑料。本发明实施例通过利用双非球面透镜的第一非球面来接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦，利用第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束的方法能够采用最少的光学器件完成非均匀光束的均匀化，避免多个光学器件的复杂调试，同时节约了使用成本和制造成本。以上所列举的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。权利要求1.一种光束的均匀化方法，其特征在于，包括光学器件的第一非球面接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦；光学器件的第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束，所述第二非球面的弯曲方向和所述第一非球面的弯曲方向一致。2、如权利要求1所述的光束的均匀化方法，其特征在于，所述非均匀光束具体为高斯光束。3、如权利要求1所述的光束的均匀化方法，其特征在于，所述输出的准直为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的非均匀光束的强度，所述基本误差为根据光束均勻化精度得出的误差。4、如权利要求1所述的光束的均匀化方法，其特征在于，所述第一非球面和第二非球面满足非球面方程z(r)=——,:+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er1。+Fr12+……；其中，l+^/l-(l+k)c2k2r为透镜的口径，Z轴为透镜纵向，z(r)为透镜的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……为高次非J求面系凄t,k为二次曲面系tt，c为曲率。5、如权利要求1所述的光束的均勻化方法，其特征在于，所述光学器件采用折射曲率大于或等于1.4的材料。6、一种光学器件，其特征在于，包括第一非球面，用于接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦；第二非球面，用于通过改变经所述第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束，所述第二非球面的弯曲方向和所述第一非球面的弯曲方向一致。7、如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件满足输出的准直为均匀分布的平顶光束的强度在基本误差范围内等于输入的非均匀光束的强度。8、如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述第一非球面和第二非球面满足非球面方程z(r)=——,a2+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er1Q+Fr12+……其中，rl+^l-(l+k)c2k2为透镜的口径，Z轴为透镜纵向，z(r)为透镜的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……为高次非球面系数，k为二次曲面系数，c为曲率。9、如权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件采用折射曲率大于或等于1.4的材料。10、如权利要求9所述的光学器件，其特征在于，所述材料具体包括晶体材料、玻璃光学材料和塑料光学材料。全文摘要本发明实施例公开了实现光束均匀化的方法，包括光学器件的第一非球面接收输入的非均匀光束，并将光束进行发散或者聚焦；光学器件的第二非球面通过改变所述经第一非球面发散或聚焦后光束的相位输出准直为均匀分布的平顶光束，所述第二非球面的弯曲方向和所述第一非球面的弯曲方向一致。本发明实施例还公开了一种光学器件，能够采用最少的光学器件完成非均匀光束的均匀化，避免多个光学器件的复杂调试，同时节约了使用成本和制造成本。文档编号G02B27/09GK101290398SQ20081006756公开日2008年10月22日申请日期2008年6月2日优先权日2008年6月2日发明者勾志勇申请人:深圳市世纪人无线通讯设备有限公司