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(fā)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(yè)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(tǒng)軸對稱光學系統(tǒng)的通光口徑；經(jīng)過聚焦系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)熱變形小，但是離軸拋物面加工困難、裝置調(diào)節(jié)復雜，離軸反射式擴束系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)光學單向擴束器” (us Patent 4580879)中介紹的棱鏡組擴束系統(tǒng)具有易于調(diào)節(jié)、沒有偏心誤差的優(yōu)點，但是系統(tǒng)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(jīng)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(fā)散角不同，像散光束在傳播過程中光強分布會發(fā)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(fā)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?nèi)肷浣嵌然蚋鼡Q球面鏡，并且調(diào)節(jié)兩個反射鏡的相對位置，調(diào)節(jié)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(xiàn)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(diào)。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(diào)節(jié)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)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(xiàn)條形像散光束的整形和像散補償。
本發(fā)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(fā)散角相同的發(fā)散光束；補償球面鏡，將發(fā)散光束準直，用于生成并輸出準直的方形光束。優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(fā)明優(yōu)點在于本發(fā)明提供的條形像散光束整形與準直裝置克服了以往發(fā)明和技術不能同時對條形光束進行單向擴束和像散補償?shù)娜秉c，該裝置只有三個透鏡組成，使用的光學元件數(shù)目較少、結構簡單、使用方便；條形像散光束經(jīng)過該裝置整形后，以方形準直光束輸出。
圖I本發(fā)明條形像散光束擴束與準直裝置；圖2本發(fā)明條形像散光束擴束與準直裝置及聚焦透鏡；圖3本發(fā)明條形像散光束近場光強分布圖；圖4本發(fā)明條形像散光束聚焦特性；圖5本發(fā)明準直后方形光束光強分布；圖6本發(fā)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(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)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(fā)散角相同的發(fā)散光束；補償球面鏡3，將發(fā)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(fā)明條形像散光束擴束與準直裝置及聚焦透鏡，經(jīng)過本發(fā)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(jīng)過本發(fā)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(jīng)過本發(fā)明進行整形和補償像散的話，經(jīng)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(fā)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(shù)矢量可以寫成;令經(jīng)過本發(fā)明整形后輸出光束的傳輸
矢量為經(jīng)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明裝置的光學系統(tǒng)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(jīng)過本發(fā)明整形后輸出光束傳輸矢量為X'，本發(fā)明裝置光學系統(tǒng)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(fā)明實施實例中兩個柱面擴束系統(tǒng)組成類似伽利略型單向擴束系統(tǒng)，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(fā)明裝置的條形像散光束寬度和本發(fā)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(fā)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(shù)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(jīng)過本發(fā)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(jīng)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(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā) 明所揭露的技術范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
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(fā)散角相同的發(fā)散光束； 補償球面鏡，將發(fā)散光束準直，用于生成并輸出準直的方形光束。
2.根據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(fā)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(fā)散角，補償球面鏡將發(fā)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(fā)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(diào)節(jié)容易的優(yōu)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(yōu)先權日2012年3月21日
發(fā)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