一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜

本发明涉及非成像光学和激光光束整形技术领域，尤其涉及一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜。

背景技术

在激光冲击加工、激光清洗、激光全息、激光医疗、激光测距与雷达等应用中，希望作用光束为横截面内光强均匀分布的平顶光束，然而激光器发出的光束大都是光强非均匀分布的高斯光束。把高斯光束变换为平顶光束的主要手段就是依靠一套整形系统，这些整形系统主要包括反高斯分布吸收的滤光片整形系统、双折射率透镜组整形系统、微透镜阵列整形系统、衍射光学元件整形系统、液晶空间光调制器整形系统、全息滤波器整形系统、振幅调制光栅整形系统、非球面透镜组整形系统。

在以上整形系统中，非球面透镜整形系统具有结构简单、整形效率高、损伤阈值高、易于实现等优点，具有重要的工程应用价值。非球面透镜整形系统可以只有一个单透镜、也可以有两个或者多个透镜组成。Yamamota设计了一种整形透镜，能把半导体激光器产生的椭圆形光束整形为圆形的轴对称光束，并应用到激光打印机中。Banton和Harrigan设计出了双片非球面透镜整形系统，把光强高斯分布的激光光束转换为光束边缘光强稍强的圆形平顶光束。双片非球面透镜整形系统，第一片透镜对通过的光束能量进行重新分配，以改变光束的光强分布，第二片非球面镜把光束重新校准平行出射。由于双片非球面透镜系统的每一片透镜中的一个面都是平面，所以，可以把双片非球面透镜简化成一片透镜，此片透镜的前后两个面都是非球面，分别代替双透镜系统中两片透镜实现对光束的匀化和准直。

单个透镜装配简单，使用方便，能达到多个透镜同样效果。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜，涉及到较大倍率的扩束和准直的问题，本发明提供的透镜既能扩束又能把光强非均匀分布变为光强均匀分布。

本发明提供一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜，该单个非球面透镜前表面为凹非球面，单个非球面透镜后表面为凸非球面，侧表面为圆柱面；单个非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径r0＝8mm；

在直角坐标系OXYZ中，该单个非球面透镜的前后表面均用以下方程描述：

其中，x表示以单个非球面透镜前后表面与透镜光轴交点为起点，沿光轴方向的轴向值，也称为镜面深度；为非球面上点(y,z)的垂轴高度，C为非球面顶点的曲率，a2为圆锥常数，a2j为2*j阶非球面形变系数，j是2至8的自然数，X轴为透镜光轴，也为单个非球面透镜的对称轴；该单个非球面透镜前表面与后表面顶点之间的距离为d＝33.604mm，其他参数的取值如表1所示：

进一步地，单个非球面透镜所用材料为对红光折射率为1.601681的SK2玻璃。

进一步地，单个非球面透镜前表面通光口径是2×8mm，单个非球面透镜后表面通光口径是2×12mm。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜，透镜前后表面均采用非球面，保证了其较好的通光性能，本发明透镜可以把光强高斯分布的光束转换为光强均匀分布的平顶光束，输出光强为中心稍有凹陷的逆高斯分布，适合作为泵浦光，解决中心区域高峰值光强的激光光束很可能破坏晶体介质的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜的形状示意图；

图2是本发明实施例提供的单个非球面透镜将高斯光束变换为平顶光束的二维光路模拟图；

图3是本发明实施例提供的单个非球面透镜将高斯光束变换为平顶光束的三维光路模拟图；

图4是本发明实施例提供的单个非球面透镜在其光束输出面上的一维光强分布模拟图

图5是本发明实施例提供的单个非球面透镜在其光束输出面上的三维光强分布模拟图；

附图说明：1为单个非球面透镜前表面，2为单个非球面透镜后表面，3为入射光束，4为出射光束。

具体实施方式

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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种把高斯光束变换为平顶光束的单个非球面透镜，该单个非球面透镜前表面1为凹非球面，该单个非球面透镜后表面2为凸非球面，侧表面为圆柱面；单个非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径r0＝8mm；出射光束的辐照光强

在直角坐标系OXYZ中，该单个非球面透镜的前后表面均用以下方程描述：

其中，x表示以单个非球面透镜前后表面与透镜光轴交点为起点，沿光轴方向的轴向值，也称为镜面深度；为非球面上点(y,z)的垂轴高度，C为非球面顶点的曲率，a2为圆锥常数，a2j为2*j阶非球面形变系数，j是2至8的自然数，x轴为透镜光轴，也为单个非球面透镜的对称轴；该单个非球面透镜前表面与后表面顶点之间的距离为d＝33.604mm，其他参数的取值如表1所示。

本发明实施例中的单个非球面透镜采用光学玻璃，优选对红光折射率为1.601681的SK2玻璃。单个非球面透镜前表面通光口径是2×8mm，单个非球面透镜后表面通光口径是2×12mm。单个非球面透镜的侧面是底面半径为12.5mm圆柱面。

图2为单个非球面透镜将高斯光束变换为平顶光束的二维光路模拟图，通过将透镜的相关参数代入到zemax软件中的Lens Data Editor相应位置得到。如图2所示，自入射光束3至出射光束4的方向，分别为单个非球面透镜前表面1和单个非球面透镜后表面2。由该图可以看出：单个非球面透镜前表面1为光线输入面，是凹非球面，凹向光束输出方；单个非球面透镜后表面2为光线输出面，是凸非球面，凸向光束输出方；单个非球面透镜的前后表面均为以光轴X对称的形状。本发明实施例中，入射光束3为高斯光束，出射光束4为变换后的平顶光束。

图2中光线的疏密代表了光强的大小，从图2中可以看出，中心光线密度高的入射光束经该单个非球面透镜后变为出射光束截面上均匀光线分布的平顶光束。图2中入射光束3的半径8mm，出射光束4的半径12mm。

如图3所示，是通过编写matlab程序模拟得到的本发明的单个非球面透镜把入射光斑半径8mm的高斯光束转换为出射光束半径为12mm的平顶光束三维光路图。图3可以更直观地看出本发明的非球面透镜的完整形状。

如图4所示，是本发明单个非球面透镜在其光束输出面上的二维光强分布模拟图，是把本发明的透镜相关参数代入到zemax软件中的Lens Data Editor相应位置，通过Illumination输出得到的，光强分布曲线比较平滑，证明了输入高斯光束确已被转换为输出光束截面上光强均匀分布的平顶光束。

如图5所示，是本发明单个非球面透镜在其光束输出面上的三维光强分布模拟图，是通过编写matlab程序追迹了32969025万条光线得到的，图中的RI是relative illumination的缩写，为相对光照度。从图5可以更清楚地看出输出光斑形状与平顶草帽形状一致，证明高斯光束确已被转换为平顶光束。从图5中的坐标轴可以看出，输出光斑的半径是12mm。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。