专利名称：：一种实现光束准直和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准直和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，采用此种方法输入的高斯光束为准直的平行的光束，需要在输入前进行准直处理，需要另外的准直系统，而增加一个准直系统使原本就需要多片镜片或需要采用两个高次非球面的非球面透镜才能进行光束均匀化的系统更加复杂，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，提供一种实现光束准直和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准直和均匀化的方法，该方法包4舌光学器件的第一表面接收输入的发散的高斯光束，并将该光束进行发散，所述第一表面具体为球面或非球面；光学器件的第二表面重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，所述第二表面为非球面。相应的，本发明实施例提供一种光学器件，包括第一表面，该表面用于接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，所述第一表面具体为球面或非球面；第二表面，重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，所述第二表面为非球面。本发明实施例通过利用双非球面透镜的第一表面来接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，利用第二表面通过改变所述经第一表面发散后光束的相位输出为准直的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输入的发散的高斯光束的准直和均匀化，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；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4为本发明实施例实现光束准直和均匀化的方法流程示意图；图5为本发明实施例实现光束准直和均匀化的光学器件及其光路的一实施例示意施例示意施例示意图8为本发明实施例实现光束准直和均匀化的光学器件及其光路的再一实施例示意图。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，输入光源采用发散的高斯光束，由于第一表面为球面时，其原理相同，因此不再赘述。如图4所示，该方法包括步骤S101,光学器件的第一表面接i输入的发散的高斯光束，并将该光束进行发散。双非球面透镜的两个非^求面为第一表面和第二表面，该第一表面和第二表面具有相同的弯曲方向，且满足非球面方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，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。当第一表面接收到未经准直的辐射分布为/二户expf(2,/w2)}0<W)(w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。因为第一表面对输入的高斯光束的发散，因此在能够在实现高斯光束的准直和均匀化输出平顶光束同时实现光束的扩束。步骤S102,光学器件的第二表面重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，该第二表面为非球面。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表面发散后光束的相位进行重新排布输出为准直的均匀分布的平顶光束。第一表面和第二表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IIN=IOUT，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束的光斑为对称型，这种对称型的平顶光束在实际使用中应用最为广泛。例如透镜的材料K9的折射率为1.52，其参数如表l-表2所示，其中光源的间距为光源到透镜的距离，第一表面的距离为非球面的中心厚度，第二表面的距离为第二表面中心顶点到焦点的距离。当光纤耦合半导体激光发光面大小0.2mm,发散角度21.7度，数值孔径NA-0.37,要求准直后的发散角度为2mrad,由拉格朗日知，准直后的光斑为74mm，同时可知道焦距f=100mm，要求50米处光斑为均匀分布平顶光束，由D^D+丄x2sinW知，此时光斑为134mm。表1类型曲率半径间距光源79.17第一表面(非球面)371.1535第二表面(非球面)-57.1750000表2曲面系凄史kABCD第一表面57.58808209.5114804e-7-2.1037285e-100第二表面-0.97113302.039528e-71.9060542e-100第一表面和第二表面的曲率半径如表1所示，第一表面的曲面系数均为如表2所示，输入的未经准直的激光高斯光束后对该光束进行发散，在通过曲面系数如表2所示的第二表面时，调整激光高斯光束的相位对高斯光束进行均匀化，在50米处获得直径为134mm的均匀化的准直的平顶光束，此时由于有50米的传输距离，因此第二表面输出的重置了相位的光束在传输50米后获得准直的均匀化的平顶光束。再例如透镜的材料K9的折射率为1.52，其参数如表3-表4所示，其中光源的间距为光源到透镜的距离，第一表面的距离为非球面的中心厚度，第二表面的距离为第二表面中心顶点到焦点的距离。当VCSEL的发光面大小0.1mm,发散角度17.5度，则数值孔径NA=0.3要求准直后的发散角度为2mrad,由拉格朗日不变量公式"Q"sm":""sm"(D为准直的光斑直径大小，nQ、n为入射前后的折射率，在大气中，都取l，则透镜焦距/二"《2sin^))，准直后的光斑直径30mm,同时可知道焦距卜50mm，要求500米处光斑为均匀分布平顶光束，由D'二i)+丄x2sinW(D'为透镜到目标靶面的距离为L时的光斑大小)知，此时光斑为1030mm。表3<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>第一表面和第二表面的曲率半径如表3所示，其中第一表面为球面，所以该^^面的曲面系数如表4所示均为零，的输入未经准直的激光高斯光束后对该光束进行发散，在通过曲面系数如表4所示的第二表面时，调整激光高斯光束的相位对高斯光束进行均匀化，在500米处获得直径为1030mm的准直的均匀化的平顶光束，此时由于有500米的传输距离，因此第二表面输出的重置了相位的光束在传输500米后获得准直的均匀化的平顶光束。请参见图5所示，图5为本发明实施例实现光束的准直和均匀化的光学器件及其光路的一实施例示意图。所采用的输入光源为发散的高斯光束。如图5所示，该光学器件包括第一表面IO和第二表面20;其中，第一表面10和第二表面20均为非球面，且二者的弯曲方向相反，两个表面均满足非球面方程z(r)=——,+Ar2+Br4+Cr6+Drs+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。第一表面10,该表面用于接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，该第一表面10为非球面。当第一表面10接收到准直输入的辐射分布为"户exp(-(2一/w1的未经准直的激光高斯光束，首先将该入输入光束进行发散。因为第一表面IO对输入的发散的高斯光束进行发散处理，因此在能够在实现高斯光束均勻化输出平顶光束的同时实现光束的扩束。第二表面20,重置所述第一表面IO发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束。第一表面10和第二表面20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表面发散后光束的相位进行重新排布，当输出光束的使用距离与第二表面20之间间隔很短的时候，第二表面20可根据该间隔的设定，直接输出准直的均匀分布的平顶光束。第一表面10和第二表面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的准直的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的准直的平顶光束的光斑为对称型，这种对称型的平顶光束在实际使用中应用最为广泛。上述表l-表4已给出2个具体的例子，在此不再进行赘述。请参见图6所示，图6为本发明实施例实现光束的准直和均匀化的光学器件及其光路的另一实施例示意图，当输出光束的使用距离与第二表面22之间后在介质33中传输一段距离后，获得准直的均匀分布的平顶光束，该距离视实际需要而定，图6中的介质为空气，实际使用时还可以根据需要采用导光的其他介质。请参见图7所示，图7为本发明实施例实现光束的准直和均匀化的光学器件及其光路的又一实施例示意图。所采用的输入光源为发散的高斯光束。如图5所示，该光学器件包括第一表面10和第二表面20;其中，第一表面10和第二表面20均为非球面，且二者的弯曲方向相反，两个表面均满足非球面方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>，其中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。第一表面30,该表面用于接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，该第一表面0为球面。当第一表面30接收到准直输入的辐射分布为/=/^邓{-(2,/^2)}的未经准直的激光高斯光束，首先将该入IIT入光束进行发散。因为第一表面30对输入的发散的高斯光束进行发散处理，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。第二表面40,重置所述第一表面30发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束。第一表面30和第二表面40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表面发散后光束的相位进行重新排布，当输出光束的使用距离与第二表面40之间间隔很短的时候，第二表面40可根据该间隔的设定，直接输出准直的均匀分布的平顶光束。第一表面30和第二表面40的规j各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7加=/。^，以及需要得到的均匀化的准直的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的准直的平顶光束的光斑为对称型，这种对称型的平顶光束在实际使用中应用最为广泛。上述表l-表4已给出2个具体的例子，在此不再进行赘述。请参见图8所示，图8为本发明实施例实现光束的准直和均匀化的光学器件及其光路的再一实施例示意图，经过笫一表面33，发散后，该第一表面33为球面，当输出光束的使用距离与第二表面44之间间隔很短的时候，该第二表面44为非球面，可根据该间隔设置该非球面的曲率，先输出重置了相位的准直的光束，然后在介质55中一段传输距离后，获得准直的均匀分布的平顶光束。本发明实施例通过利用双非球面透镜的第一表面来接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，利用第二表面通过改变所述经第一表面发散后光束的相位输出为均匀分布的准直的平顶光束的方法能够采用最少的光学器件完成输入的发散的高斯光束的准直和均匀化，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、一种实现光束准直和均匀化的方法，其特征在于，包括光学器件的第一表面接收输入的发散的高斯光束，并将该光束进行发散，所述第一表面具体为球面或非球面；光学器件的第二表面重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，所述第二表面为非球面。2、如权利要求1所述的实现光束准直和均匀化的方法，其特征在于，所述光学器件的第二表面重置所述第一表面发散后光束的相位前，还包括将所述第二表面的弯曲方向置于与第一表面的弯曲方向相反的方向。3、如权利要求1或2所述的实现光束准直和均勾化的方法，其特征在于，在所述获得准直的均匀分布的平顶光束前，还包括将所述重置相位的光束置于介质中传输一段距离。4、如权利要求1所述的实现光束准直和均匀化的方法，其特征在于，输出的所述重置相位的光束的强度在基本误差范围内等于输入的发散的该高斯光束的强度，所述基本误差为根据光束均匀化精度得出的误差。5、一种光学器件，其特征在于，包括第一表面，该表面用于接收输入的发散的高斯光束，并将光束进行发散，所述第一表面具体为球面或非球面；第二表面，重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，所述第二表面为非球面。6、如权利要求5所述的光学器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面的弯曲方向相反。7、如权利要求5或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5或6所述的光束的准直和均匀化方法，其特征在于，当所述第一表面为非球面时满足非球面方程z(r)=——,:+Ar2+Br4+Cr6+Drs+Er1Q+Fr12+……；其中，1+Vl-(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……为高次非球面系数，k为二次曲面系数，c为曲率。9、如权利要求5或6所述的光束的准直和均匀化方法，其特征在于，所述第二表面为非球面时满足非球面方程z(r)=——,+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er1。+Fr12+……；其中，1+Vl-(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^求面系数，k为二次曲面系数，c为曲率。全文摘要本发明实施例公开了实现光束准直和均匀化的方法，包括光学器件的第一表面接收输入的发散的高斯光束，并将该光束进行发散，所述第一表面具体为球面或非球面；光学器件的第二表面重置所述第一表面发散后光束的相位，并获得准直的均匀分布的平顶光束，所述第二表面为非球面。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发散的高斯光束的均匀化和准直，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G02B27/00GK101363922SQ200810067999公开日2009年2月11日申请日期2008年6月25日优先权日2008年6月25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