專利名稱：一種條形像散光束整形與準直裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光束整形和像散補償裝置，特別是對條形光束的整形和像散補償裝置。
背景技術：
主振蕩功率放大(MOPA)結構板條激光器是獲得高光束質量激光輸出的重要途徑之一，在科研、工業和國防等領域有重要的應用。但是MOPA結構板條激光器輸出的光束是長條形的，不能充分利用傳統軸對稱光學系統的通光口徑；經過聚焦系統聚焦后，垂直方向和水平方向的光束焦點位置不一致，并且不在聚焦系統的焦平面上，這給MOPA結構板條激光器的應用帶來很大困難。為了有效利用條形像散光束，必須對光束進行整形和像散補償。柱面透鏡、反射鏡或棱鏡的組合能對光束進行單向擴束。離軸反射式擴束系統中光束被一組拋物鏡面反射后擴束，光能量吸收損耗少，擴束系統熱變形小，但是離軸拋物面加工困難、裝置調節復雜，離軸反射式擴束系統沒有得到廣泛應用。柱面開普勒式或伽利略式望遠擴束系統可以將長條形光束擴束為方形光束，但是在這種裝置中，光學7Π件均為柱面鏡，只能在一個方向上對光束進行擴束和準直。美國專利“串聯光學單向擴束器” (us Patent 4580879)中介紹的棱鏡組擴束系統具有易于調節、沒有偏心誤差的優點，但是系統中沒有改變光焦度的元件，不能對光束的像散進行補償。光束經過透鏡聚焦后子午面和弧矢面的聚焦位置不同，說明光束有像散像差。從幾何光學角度看，像散光束子午面和弧矢面光束發散角不同，像散光束在傳播過程中光強分布會發生變化。對像散光束校正的基本方法是平衡光束兩個方向上的發散角。例如美國專利“光束整形望遠鏡”(US2009/0257118A1)用兩個球面反射鏡補償光束的像散，球面鏡曲率和入射球面鏡的角度決定了像散補償量，需要改變像散補償量時，需要改變入射角度或更換球面鏡，并且調節兩個反射鏡的相對位置，調節難度大。美國專利“可變像散光束擴束器”(US2008/0297912)，利用兩個緊貼柱面鏡和一個球面鏡實現圓形光束像散的補償和準直，該裝置中兩個柱面鏡緊貼，柱面鏡與球面鏡的距離可調。但是以上方法和裝置只能滿足整形或像散補償中的一個要求，雖然以上兩種方法或裝置的組合能夠對條形光束整形和補償像散，可是要引入多個元件，成本和調節復雜度難以降低。因此，人們希望有一種改進的裝置，能夠對條形像散光束進行整形和像散補償。
發明內容
本發明的目的在于克服現有裝置和方法無法同時對條形像散光束整形和補償像
散的缺陷，提供一種改進的整形和像散補償裝置，能夠實現條形像散光束的整形和像散補償。
本發明一種條形像散光束整形與準直裝置，采用的技術方案是包括第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和補償球面鏡，其中第二柱面擴束鏡位于第一柱面擴束鏡和補償球面鏡之間，第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和球面補償鏡的各中心點在同一軸線上，且該軸線與輸入的條形光束的光軸重合；第一柱面擴束鏡，接收條形光束，用于將條形光束生成單向擴束光束；第二柱面擴束鏡，用于將單向擴束光束變換為水平方向和垂直方向發散角相同的發散光束；補償球面鏡，將發散光束準直，用于生成并輸出準直的方形光束。優選實施例，所述的第一柱面擴束鏡和第二柱面擴束鏡能沿光軸旋轉和平移。優選實施例，所述的第一柱面擴束鏡是具有負的光 焦度的負透鏡，所述負透鏡的前表面或后表面中至少有一個是凹柱面。優選實施例，所述的第二柱面擴束鏡是具有正的光焦度的正透鏡，所述正透鏡的前表面或后表面中至少有一個凸柱面。優選實施例，所述第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和補償球面鏡各前鏡面、后鏡面鍍制有針對條形像散光束的增透膜系。優選實施例，所述補償球面鏡是平凸透鏡、平凹透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡或凸凹透鏡。本發明優點在于本發明提供的條形像散光束整形與準直裝置克服了以往發明和技術不能同時對條形光束進行單向擴束和像散補償的缺點，該裝置只有三個透鏡組成，使用的光學元件數目較少、結構簡單、使用方便；條形像散光束經過該裝置整形后，以方形準直光束輸出。
圖I本發明條形像散光束擴束與準直裝置；圖2本發明條形像散光束擴束與準直裝置及聚焦透鏡；圖3本發明條形像散光束近場光強分布圖；圖4本發明條形像散光束聚焦特性；圖5本發明準直后方形光束光強分布；圖6本發明準直后方形光束能夠會聚到透鏡焦平面上。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖I所示的條形像散光束整形與準直裝置，包括第一柱面擴束鏡I、第二柱面擴束鏡2和補償球面鏡3，第二柱面擴束鏡2位于第一柱面擴束鏡I和補償球面鏡3之間，第一柱面擴束鏡I、第二柱面擴束鏡2和球面補償鏡3的各中心點在Z軸上，且該軸線與輸入的條形光束的光軸重合；第一柱面擴束鏡1，接收條形光束，用于將條形光束生成單向擴束光束；第二柱面擴束鏡2,用于將單向擴束光束變換為水平方向和垂直方向發散角相同的發散光束；補償球面鏡3，將發散光束準直，用于生成并輸出準直的方形光束。如圖2所示本發明條形像散光束擴束與準直裝置及聚焦透鏡，經過本發明整形和補償象散后的光束進入聚焦透鏡4，聚焦透鏡4起到聚焦光束的作用，是用來檢驗條形像散光束經過本發明整形和補償像散后聚焦特性的。如圖3所示條形像散光束在第一柱面擴束鏡I前的近場光強分布圖，條形像散光束沿Z軸傳輸，如果不經過本發明進行整形和補償像散的話，經過聚焦透鏡4聚焦后的聚焦特點，如圖4條形像散光束聚焦特性所示，光束的子午像點和弧矢像點不重合，并且聚焦后的像點在聚焦透鏡4的焦平面后。選取垂直于Z軸的XY平面作為參考面，光束在XOZ面上的半寬度ωχ、coy和光束發散半角為θχ、0y，所以條形像散光束在第一象限坐標(ωχ，coy)處光線的傳輸參數矢量可以寫成;令經過本發明整形后輸出光束的傳輸
矢量為經過本方面整形和準直后光束是在寬度相等的方形光束，所以整
形和補償像散后光束口徑在XOZ面上的半寬度為< =5、乂 =%、光束發散半角為K= O、
= O，輸出光束傳輸矢量。任意光線傳輸變化方程可以用一個4X4擴展矩陣表達(參見呂百達《激光光學光束描述、傳輸變換與光腔技術物理》第三版，p33),本發明對光線的傳輸變換矩陣描述為一個4X4矩陣，用 表示。本實例采用如圖I所示本發明對條形像散光束進行擴束和與準直裝置的結構，對條形像散光束整形和補償像散的共有包括第一擴束柱面鏡I、第二柱面擴束鏡2和補償球面鏡3，條形光束到第一擴束柱面鏡I的距離為L1，第一擴束柱面鏡I到補償球面鏡3的距離為L2，補償球面鏡3到第二擴束柱面鏡2的距離為L3，所以本發明裝置的光學系統擴展矩陣 為M=M fx2ML3Mf Ml2MmMliMfar, Mfa2, Mn Ml2^ A i3、分別是第一柱面擴束鏡I、第二柱面擴束鏡2、自由空間距離Li、L2、L3、補償球面鏡3所對應的變換矩陣。經過本發明整形后輸出光束傳輸矢量為X'，本發明裝置光學系統的擴展矩陣 和輸入條形像散光束坐標(ωχ，ωγ)處光線的傳輸矢量文用如下關系式Χ'=Ιν ；^描述。本發明實施實例中兩個柱面擴束系統組成類似伽利略型單向擴束系統，所以第一柱面擴束鏡I的焦距fxl、第二柱面擴束鏡2的焦距fx2有如下關系
Γ fx2ω5——=--
Al ωτωτ*別是輸入本發明裝置的條形像散光束寬度和本發明裝置輸出的條形像散光束寬度。假設一條形像散光束在XOZ面上半寬度ωχ = I毫米，YOZ面半寬度Qy = 10毫米，光束發散半角分別是θ χ = 3° , Θ y = 1°。所以fx2/fxl =-cos/coT =-10,如果取第一個柱面擴束鏡I的焦距為fxl = -60毫米，則第二個柱面擴束鏡2的焦距為fx2 = 600毫米，補償球面鏡3的焦距為f，第一柱面擴束鏡I距離XOZ面為L1，第二柱面擴束鏡2與第一柱面擴束鏡I之間的距離L2，第二柱面擴束鏡2與補償球面鏡3距離為L3，并以距離U、L2> L3為未知數代入關系式Χ'= 文求解得L1 = -62. 7毫米、L2 = 62. 7毫米、L3 = 683. 5毫米、f = 573. 2毫米。條形像散光束經過本發明裝置的整形和準直后方形光束光強分布，其輸出光束光強分布為如圖5所示的正方形，經過聚焦透鏡4聚焦后，如圖6所示準直后方形光束能夠會聚到透鏡焦平面上，焦點在聚焦透鏡4的焦平面上；圖5、圖6中的X、Y和Z是笛卡爾坐標。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發 明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。
權利要求
1.一種條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于包括第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和補償球面鏡，其中 第二柱面擴束鏡位于第一柱面擴束鏡和補償球面鏡之間，第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和球面補償鏡的各中心點在同一軸線上，且該軸線與輸入的條形光束的光軸重合； 第一柱面擴束鏡，接收條形光束，用于將條形光束生成單向擴束光束； 第二柱面擴束鏡，用于將單向擴束光束變換為水平方向和垂直方向發散角相同的發散光束； 補償球面鏡，將發散光束準直，用于生成并輸出準直的方形光束。
2.根據權利要求I所述的條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于，所述的第一柱面擴束鏡和第二柱面擴束鏡能沿光軸旋轉和平移。
3.根據權利要求I所述的條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于，所述的第一柱面擴束鏡是具有負的光焦度的負透鏡，所述負透鏡的前表面或后表面中至少有一個是凹柱面。
4.根據權利要求I所述的條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于，所述的第二柱面擴束鏡是具有正的光焦度的正透鏡，所述正透鏡的前表面或后表面中至少有一個凸柱面。
5.根據權利要求I所述的條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于，所述第一柱面擴束鏡、第二柱面擴束鏡和補償球面鏡各前鏡面、后鏡面鍍制有針對條形像散光束的增透月旲系。
6.根據權利要求I所述的條形像散光束整形與準直裝置，其特征在于，所述補償球面鏡是平凸透鏡、平凹透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡或凸凹透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種條形像散光束整形與準直裝置，該裝置包括第一擴束柱面鏡、第二擴束柱面鏡和補償球面鏡，所述擴束柱面鏡能對輸入的條形光束單向擴束、平衡條形光束水平方向和垂直方向的發散角，補償球面鏡將發散光束準直，用于條形像散光束準直和整形生成準直的方形光束。本發明能夠同時完成光束整形與像散補償兩個功能，具有結構簡單、成本低、調節容易的優點。
文檔編號G02B27/00GK102621694SQ20121007628
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者劉文勁, 晏虎, 楊平, 董理治, 許冰, 雷翔 申請人:中國科學院光電技術研究所