专利名称：高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光束整形技术领域，特别是涉及高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用。
背景技术：
基模激光束的光强分布为高斯分布，但是在很多应用中希望激光束的光强分布是均匀的，并且光斑形状为矩形(包括正方形)。例如激光脉冲喷丸强化与成形技术中要求功率密度大于GW/cm2，脉宽在10-30ns，能量均匀分布的正方形激光束。实现激光束整形和均匀化的方法很多。主要有非球面透镜法、非球面反射镜方法、双折射透镜组方法以及衍射光学元件法等。非球面透镜技术实现激光光束整形最早是B.R.Frieden在《Applied Optics》(《应用光学》)Vol.4(11) =1400-1403, 1965 (1965 年，第 4 卷(第 11 期)第 1400-1403页)中的论文“Lossless conversion of a plane laser wave to a plane wave ofuniform irradiance”(平面激光束到均勻平面波的无损转换)和J.L.Kreuzer在USA, US3476463, Novemberl969 (1969 年 11 月，美国专利号 US3476463)中的专利“Coherentlight optical system yielding an output beam of desired intensity distributionat a desired equiphase surface”(在特定等相位面上产生预期强度分布输出光束的相干光学系统)中提出的:对于能量分布具有对称性的激光光束，根据能量守恒定律来建立输入输出面光束之间的函数关系，采用非球面透镜结构使通过系统的所有光束满足等光程原理来控制输出光束的相位变化，实现对于输出光束的能量均匀化，将圆形高斯光束转化为能量均勻分布的平顶圆形光斑。这方面最新的研究还包括J.A.Hoffnagle等人在《AppliedOptics))(《应用光学》)，Vol.39(30)，5488-5499，2000(2000 年，第 39 卷(第 30 期)第5488-5499 页)的论文“Design and performance of a refractive optical system thatconverts a Gaussian to a flattop beam”(高斯光束转换成平顶光束的折射光学系统的设计及性能)和C.Liu等人在《Optics Express))(《光学快讯》),Vol.16 (9), 6675-6682，2008 (2008 年，第 I6 卷(第 9期)第 6675_6682 页)的论文 “Study of singular radiusand surface boundary constraints in refractive beam shaper design，，(关于折身寸光束整形器设计研究中奇异半径和表面边界约束的研究)所做的工作。双折射透镜实现激光束的空间整形，是由两对双折射晶体透镜和一个检偏器组成，该方法是杨向通等人于2006年11月在《光学学报》第26卷第11期第1698-1704页的论文“利用双折射透镜组实现激光束空间整形”发表。其透射率函数可随着光束参数的变化灵活改变，适用于线偏振高斯光束的整形为光强均匀分布的圆形光斑。采用非球面反射镜方法，可实现高斯光束到均匀矩形光束的整形，其中包括:无遮拦双反射镜激光整形器 (该设计是由V.0liker等人在《J.0pt.Soc.Am.A))(《美国光学协会期刊 A))), Vol.24(12)，3741-3752，2007(2007 年，第 24 卷(第 12 期)第 3741-3752 页)中的论文“Optical design of freeform two-mirror beam-shaping systems，，(多项式面镜光束整形系统光学设计)中提出的)、非轴向对称反射镜(该设计是由David L.Shealy等人在《Optical Engineering))(《光学工程》)，Vol.42 (11)，3123-3138，2003，(2003 年，第42 卷(第 11 期)第 3123-3138 页)中的论文“Geometric optics-based design of laser beamshapers”(基于几何光学的激光束整形设计))等提出的，其第二面反射镜相对于第一面反射镜的对称轴是偏心的，避免了在轴对称装置中的中心遮栏，可使输出的光束会聚到指定的矩形区域，并保持其空间相干性。但由于全反射介质膜对入射光的角度很敏感，很难实现对任意角度的全反射，造成激光能量的部分缺失。采用金属全反射膜，可避免这一问题，但降低了器件的光学损伤阈值。衍射光学元件技术(DOE)整形方法是基于光波的菲涅尔衍射理论，根据要求的输出光束结构确定整形器件的复振幅反射率或复振幅透过率调制函数，实现高斯光束到均匀矩形光束的整形，相关文献可参考Hwi Kim等人在《J.0pt.Soc.Am.A》(《美国光学协会期刊A))),Vol.21(12)，2353 - 2365，2004 (2004 年，第 21 卷(第 12 期)第 2353 - 2365 页)发表的论文“Iterative fourier transform algorithm with regularization for the optimaldesign of diffractive optical elements”(实现衍射光学元件优化设计的正则化迭代傅里叶变换算法)。这种方法具有衍射效率高、光斑轮廓可调等优点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等功能，缺点是加工难度大、激光损伤阀值低。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供利用多项式面型透镜系统将高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法及应用，用于获取能量均匀分布的矩形(包括正方形)激光束。为实现上述目的及其他相关目的，本发明在一方面提供利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形(包括正方形)光束的方法，包括以下步骤:SI根据能量守恒定律建立输入面上高斯光束与输出面上能量均匀分布矩形光斑的能量对应关系；`S2，根据输入面上高斯光束与输出面上能量均匀分布矩形光斑的能量对应关系，获取输入面与输出面光束映射函数关系；S3，选取透镜的多项式面型方程，基于输入面与输出面光束映射函数关系，利用光学设计软件优化多项式面型方程系数，使输入面高斯光束通过多项式面型透镜系统后整形为输出面能量均匀分布的矩形光斑。优选地，在步骤SI中，输入面光强分布函数为Iin(r，0)，输出面上矩形光斑的光强分布为Itjut = rect(x/2u, y/2v),它们对应的总能量相等:
R2^Im{}%eydr= JJ rect(x/2u,y/2v)dxdy
l>-U<X-U,
—vs其中，r，0为入射面极坐标，R为高斯光束半径；u和v为出射平面矩形光斑的边长；X和y为输出面坐标；当u=V时，光斑为正方形。在输入面取一个r G
, dy的三角形面积区域内的能量:
权利要求
1.利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，包括以下步骤: Si，根据能量守恒定律建立输入面上高斯光束与输出面上能量均匀分布矩形光斑的能量对应关系； S2，根据输入面上高斯光束与输出面上能量均匀分布矩形光斑的能量对应关系，获取输入面与输出面光束映射函数关系； S3,选取透镜的多项式面型方程,基于输入面与输出面光束映射函数关系,利用光学设计软件优化多项式面型方程系数，使输入面高斯光束通过多项式面型透镜系统后整形为输出面能量均匀分布的矩形光斑。
2.根据权利要求1所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，在步骤SI中，输入面光强分布函数为Iin (r，9 )，输出面上矩形光斑的光强分布为Iwt = rect(x/2u, y/2v)，它们对应的总能量相等:
3.根据权利要求2所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，对于标准高斯光束，在步骤S2中，输入面与输出面光束映射函数关系:
4.根据权利要求2所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，在步骤SI中，对于非标准高斯光束，采用激光光斑分析仪或高灵敏度CCD相机拍摄输入光斑光强分布图，利用计算机拟合输入面上光束的光强分布函数Iin(r，0)。
5.根据权利要求1所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，对于标准高斯光束，在步骤S3中，所述多项式面型方程为:
6.根据权利要求1所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，对非标准高斯光束，在步骤S3中，所述多项式面型方程为:
7.根据权利要求5或6所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，根据步骤S2所得到的输入面与输出面光束映射函数关系，利用光学设计软件采用光线追迹方法，对每根光线的位相或光程进行补偿，优化获得多项式面型方程系数。
8.根据权利要求1所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，多项式面型透镜系统至少包含一个多项式面型透镜。
9.根据权利要求1所述的利用多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，根据不同应用，对于不同能量的入射激光，选取PMMA玻璃、光学玻璃、石英玻璃或熔石英玻璃作为多项式面型透镜的材料。
10.根据权利要求1所述的多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，多项式面型透镜系统工作光谱范围包括紫外、可见光或红外波段；多项式面型透镜系统具有波长相关性，对不同的工作波长，根据透镜材料的色散关系，设计和优化透镜的多项式面型方程系数。
11.根据权利要求1所述的多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，在多项式面型透镜表面镀增透膜。
12.根据权利要求1所述的多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法，其特征在于，该方法适用于连续或脉冲激光。
13.多项式面型透镜系统将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的方法的一种应用，其特征在于，将所述方法应用于需要正方形均匀激光光斑的激光脉冲喷丸强化与成形加工系统中。
14.将标准高斯激光束以及非标准高斯激光束整形为能量均匀分布的矩形光束的多项式面型透镜系统，其特征在于，多项式面型透镜的面型方程是根据权利要求1至权利要求12中任意一项所 述的方法获得的。
全文摘要
本发明提供利用多项式面型透镜系统将高斯激光束整形为能量均匀分布矩形光束的方法及应用，所述方法包括以下步骤S1，根据能量守恒定律建立输入面上高斯光束与输出面上能量均匀分布矩形光斑的能量对应关系；S2，获取输入面与输出面光束映射函数关系；S3，选取透镜的多项式面型方程，基于输入面与输出面光束映射函数关系，利用光学设计软件优化多项式面型方程系数，使输入面高斯光束通过多项式面型透镜系统后整形为输出面能量均匀分布的矩形光斑。通过本发明的方法可以获得能量均匀分布的矩形激光光斑，同时可将本发明的方法应用到需要利用矩形均匀激光光斑的实验和研究，例如需要正方形均匀激光光斑的激光脉冲喷丸强化与成型的研究和工业化生产。
文档编号G02B27/48GK103246067SQ20131019605
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月23日 优先权日2013年5月23日
发明者邓晓旭 申请人:上海交通大学