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利用单片非球面透镜实现激光束整形

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第43卷 第9期 2013年9月 激光与红外 LASER & INFRARED Vo1.43,No.9 September,2013 文章编号:1001-5078(2013)09—1002 ̄5 ・激光应用技术・ 利用单片非球面透镜实现激光束整形 李明伟,于晓晨,潘毅思,胡家升 (大连理工大学信息与通信工程学院,辽宁大连116024) 摘要:在非球面透镜组进行激光束整形的技术基础上,设计了应用于TEA CO,激光光束整 形的单片非球面镜光束整形系统。基于几何光学原理,利用能量守恒定律和等光程条件进行 系统理论模型求解。通过使用龙贝格数值积分和非线性最小二乘法,获得非球面透镜前后两 面的矢高。最后,通过光学设计软件ZEMAX进行系统性能优化,并对其可加工性进行了分 析。实验结果表明,出射光束的光程差(OPD)为±0.Ol入,峰谷值误差为0.0002入,输出基本 为平行光。该方法能有效避免双分离透镜结构系统的筒长过长、不易调节的弊端,使器件结构 变得简单,便于加工装调。 关键词:激光光学;光束整形;非球面透镜;平顶光束 中图分类号:0436 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-5078.2013.09.08 Laser beam shaping using single aspheric lens system L1 Ming—wei,YU Xiao—chen,PAN Yi-si,HU Jia—sheng (School of Information and communication Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 1 1 6024,China) Abstract:Based on the Galileo aspherie lens beam shaping system,a single aspheric lens beam shaping system for TEA CO2 lasers is designed.The optical design is based on geometrical optics,and the differen—tial equations ex— pressi‘ng conservation are solved by using energy law and constant optical path length con—dition.By the Romberg NU— merical integrating algorithm and the method of the nonlinear least square,the sags of aspheric surfaees are obtained. The system’S pefformanee is optimized using the optical design soft—ware ZEMAX,and the simulation result sh()WS that the optical path difference(OPD)of the fiat—top output is±0.0 l ,the peak—valley wave ̄ont error is 0.0002 , which proves it being collimated.The simpler sys—tern avoids the disadvantages of large volume and difficulty in ad— justment of traditional Galileo system,and makes itself easy to proeess and adjust. Key words:laser opties;beam shaping;aspheric lens;fiat—top beam 1 引 言 件,双折射透镜组,液晶空间光调制器等。本文主要 探讨用非球面光学系统实现激光束整形。 Frieden E 、在许多激光技术的应用领域中,光束的质量直 接影响激光器的应用水平。通常情况下,激光器输 Kreuzer 分别于1965年、1969年提 出的光束能量在空问上呈高斯分布(或者近似高斯 分布)。在很多情况中,如表面热处理、激光材料 加工、光学信息存储等领域都要求激光束能量呈均 出,对于能量分布具有轴对称性的激光光束,其外部 轮廓可以通过具有非球面的双分离透镜组进行改 匀分布。将激光束从高斯分布转变成平顶分布的光 束空间整形往往是借助于外加的光束整形系统完成 的 。目前主要的激光束整形方法包括:非球面透 镜组整形系统,微透镜阵列整形系统,衍射光学元 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60877003);辽宁省 高校重点实验室资助项目(No.LS2010037)资助。 作者简介:李明伟(1957一),男,教授,研究方向为光电技术及J 用。E.mail:dlutcc@dlut.edu.CFi 收稿日期:2013-01—22 激光与红外No.9 2013 李明伟等利用单片非球面透镜实现激光束整形 1003 变,但基于当时光学加工技术水平的,加工高精 度复杂非球面是非常困难的,甚至是不可能的。此 后若干研究人员对这种方法做了一系列改进。Sha— fer 尝试利用双胶合球面镜代替透镜组中的非球 面镜,但这种做法会影响输出光束质量。Hoffnagle 和Jefferson_5 将透镜组换为平凸结构;Evans和 Shealy_6 利用三个球面渐变折射率透镜组,都在一 定程度上降低了整形系统的制作难度。随着科技的 进步,Magneto rheological figuring(MRF) 技术的逐 渐成熟,使得光学材料工件表面能在短时间内得到 亚纳米级的表面粗糙度,且加工价格更为合理,加工 精度基本能满足实际使用要求,为利用非球面透镜 实现激光束整形提供了基本条件。 本文基于伽利略式非球面透镜组整形原理,利 用能量守恒定律和等光程条件,推导了单片非球面 透镜光束整形系统理论模型,并将其应用到对高功 率TEA CO 激光器发出光束的整形中。在此基础 上,采用光学设计软件ZEMAX对本文的设计进行 优化,仿真实验结果表明,本设计方案可以达到预期 整形目标。最后,结合目前的透镜加工工艺水平,分 析了设计结果的实际可加工性,证明在允许误差范 围内,该系统仍可达到较好的整形结果。 2整形系统设计原理 在伽利略式非球面透镜组整形系统中,第一片 非球面透镜调整能量空间分布,使光强在到达特定 位置(第二片透镜处)呈平顶分布;第二片非球面镜 对光束再准直,以便使光线能够沿直线传播到无穷 远。为减小整形系统筒长,降低加工和装调难度,本 文利用单片非球面透镜前后表面分别代替双透镜系 统的前后两片透镜,来实现对光束的匀化和准直,透 镜结构如图1所示。 图1 单片非球面透镜整形系统 Fig.1 laser beam shaping system with single aspheric lens 对具有轴对称特性的输入光束,遵守能量守恒 原理,即输入光束的能量完全转化成输出光束的能 量。如图1所示,任意光线入射到整形系统时与光 轴距离为r,光强为 (r),出射时与光轴距离为尺, 光强变为,0 ( )。 基于能量守恒原理,有: 』J  do d 』J  I0 (Ii .(r) =』 =J。d rdr  d 』J :o Iou,(R)R rrdRR ( )1) 若输入光束为基模高斯光束,归一化后,。 (r) =exp[一2(r/r。) ] (2) 其中rn为高斯光束束腰。 要求输出光束均匀分布,即光强 (R)为常 数,则: _{ exp( ㈩ 其中…Io 竞 _exp(-2r2m 日x/r 2] (4) 上式中,rmax是系统的入射光束最大半径, 是出 射面对应的光束最大半径,出射光束半径 决定了 系统折射表面的形状。 如图2所示,有: tan = (5) 另外,非球面s矢高的导数: ,( ): :t n (6) 将式(6)代人折射定律sin0 =nsin0,,司得到: tan0 :— }2 t2 (7) 进一步推导出: tan :tan(0i--Or)=Z t%// ̄ _ gt2 _Zt 、, ‘一z“+z 一: Z R ()(8)一z(r) 进而求解: 一n (R—r)(Z~z)±n(尺一r) ̄/(z—z) +(R—r) (n 一1)(Z— ) 一(R—r) (9) 通过光轴的光线的光程为: (OPL)0=t1+nd (10) 对于高度为r的任意光线光程为: (OPL),=t1+ +11,[(R—r)2+(z一 ) ] + a—Z 1004 激光与红外 第43卷 根据等光程条件(OPL)。=(OPL),,得到: n[(R—r) +(z~z) ] =d(n一1)+z一 =一¨_二兰二二==; + 4 r (14) 6 5 4l+ 1一(1+ )c‘r ‘ 暑吕\ (12) 最后解得: (Z一。): —12- n-n d2 +)d+hi— (1)(12- n)(R 21/2 -r)]1一凡2 (13) 所以,只需给出基本的系统参数n, .,d,即可得 到非球面参数尺(r), (r),z(r)。 3整形系统模拟与分析 3.1 基本参数选择 本文以波长为10.6 m的CO 激光器出射光 束为整形对象。在进行实际整形系统的设计前,首 先需要确定单片非球面透镜的厚度及透镜的材料。 由于单片透镜整形系统的筒长远小于双片结构,与 双片结构相比,单片结构中光线在经过第一个折射 面后,其偏折角度较大。因此,为保证非球面镜各区 域曲率半径在合理范围内,本文选择的透镜稍厚一 些,这里取d=20 mm。对于透镜材料的选择,考虑 的两项指标为:透过率和折射率。由于高功率CO 激光器的波长处在红外波段,考虑到能量吸收率,透 镜材料选择热吸收系数较小的ZnSe。当波长为 10.6 m时,ZnSe的折射率为2.402662。 3.2矢高的计算和拟合 将初始参数代人到前文推导的公式中,可以得 到透镜前后表面矢高与透镜半径之间的关系数据组 [( ,r)和(Z,R)],如图2所示。这里采用龙贝格积 分法 ,并在Matlab中进行求解,计算精度可达 e—l(1 m ().8—0 7-0.6-0.5-0.4-0.3-0 2-0.1 0.0 0l Sagz OrZ/mm 图2非球面表面矢高与透镜半径之间的关系 Fig.2 the relation of sags of aspheric surfaces and the radii of the lens 采用非线性拟合法对数据进行拟合,并将其表 示为常用的光学表面公式。本文选择非线性最小二 乘法把数据拟合成奇次非球面公式。 采用均方差(RMSE),残差平方和(SSE)来评 价拟合结果。前后两面RMSE值分别为 1.674706715E~,7.149022781E一,SSE值分别为 1.430367717E—H,2.606534863E一”。 理论上,拟合多项式高次项越多拟合的精度会 越高,但在实际生产中,考虑到元件的可加工性,应 尽量减少高次项。因此,在对拟合精度和加工难度 做权衡后,本文给出了既能得到良好光学性能,又较 易加工的单片非球面透镜参数,包括一个二次曲面 项和8个非球面项,见表1。 表1 表1 CO 激光外形整形系统面型参数 Tab.1 surface parameters of a CO2(10.6 m) laser beam shaping system parameters Thefirst surface The secoud surface l/c 2.5882l72597 l1 1.554977l49 k 一1.4O65O6981 284.897447407 Al 1.6737944019E 一2.3161494013E 一O.248066O41Ol 一0.028521 l606 4.55468l8818E 0 —2.3460181432E A4 0.0042395943 3.98632124I99E一 A5 8 41 18192161E —1.0015628759E’ A6 —0.000154l37 3.0l463482248E一 A 2.0096341390E一 一3.9843938438E A8 —8.705294083E一 2.76727890489E一 3.3 性能分析与优化 由于ZnSe基片和非球面加工费用较高,为了避 免设计中的缺陷,需要对设计的系统进行仿真研究。 将表中非球面结构参量连同初始条件输入到ZEM— AX中,利用物理光学传播功能进行分析。OPD=± 0.2入,波前峰谷值为0.1196入。将仿真结果运用 ZEMAX软件的优化功能进行优化。将前后两面的 曲率半径1/C,圆锥系数k及8个非球面项参数设 为变量,光束波前的均方根误差为评价函数重复进 行优化,直至评价函数不再明显改变。 最终优化所得结果如下:OPD为±0.01入,波前 峰谷值达0.0002入。本文 :10.6 Ixm,OPD的绝对 值约为106 Flm,波前峰谷值为2.12 nm。输入输出 1006 激光与红外 第43卷 equiphase surface[J].U.S.Patent,1969,3:476—463. 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