高斯光束整形系统的光学设计_高瑀含

第19卷　第7期

2011年7月 光学精密工程

　Optics and P recisio n Engineering

V ol .19　N o .7

　Jul .2011

收稿日期:2010-07-06;修订日期:2010-11-16.

基金项目:高功率半导体激光国家重点实验室科研基金资助项目(N o .9140C310405);吉林省科技发展计划资助项

目(No .20080331,20090555)

文章编号　1004-924X (2011)07-1464-08

高斯光束整形系统的光学设计

高瑀含

1＊

,安志勇1,李娜娜

1,2

,赵伟星3,王劲松

1

(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.中国科学院光电研究院北京100080;

3.南京光科信息技术有限公司,江苏南京210001)

摘要:研究了真实光线追迹优化光学系统的方法以简化高斯光束整形系统的光学设计。理论分析了高斯光束整形原理,并选择超洛伦兹函数作为平顶光分布函数;根据能量守恒原理,推导了高斯光束整形系统中任意光线在入射面与出射面的坐标变换关系。针对该系统的特点,使用Z emax 编程语言(ZP L )编写计算坐标变换的Z PL 宏指令,并优化设计了高斯光束整形系统。最后,利用金刚石单点车削法加工该非球面光学系统,并利用光束分析软件对系统的整形效果进行了测试。测试结果表明,利用该方法设计的非球面透镜实现了高斯光束的整形变换,平顶光的均匀度为87.1%。该方法简单实用,计算量小,可应用于实际工程设计。

关　键　词:光学设计;非球面透镜;光束整形;高斯光束;平顶光束;超洛伦兹函数中图分类号:T H703 文献标识码:A doi :10.3788/O PE .20111907.1464

Optical design of Gaussian beam shaping

GAO Yu -han

1＊

,AN Zhi -yong 1,LI Na -na

1,2

,ZH AO Wei -xing 3,WANG Jin -song

1

(1.School o f Optics and E lectronic E ngineering ,Changchun University o f

Science and Techology ,Changchun 130022;2.Academy o f Opto -electronics ,Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100080,China ;

3.Nanjing Optotek Corporation ,Nanjing 210001,China )＊Corresponding author ,E -mail :gaoyuhan @

A bstract :A real ray tracing method w as used to simplify the optical design of a Gaussian beam shaping sy stem .The principle of shaping Gaussian beam w as studied theoretically and the Fla ttened Lo rentzi -an (FL )function w as cho sen as the distributio n ex pression o f the flattened beam .T he relationship of coo rdinate transform ation of arbitrary ray s in an incident plane and an image plane w as deduced based on the law of ene rg y co nserv ation .Then ,acco rding to the characteristics of this system ,Zemax Pro -g ramming Language (ZPL )w as used to co mpile ZPL m acro o rders to calculate the coo rdinate trans -fo rm atio n ,and the real ray tracing method was adopted to design the optical Gaussian beam shaping sy stem .Finally ,the aspheric lens sy stem w as pro cessed by single point diamo nd turning technique s and its shaping ability w as tested by the optical analyzing softw are .Te sting results indicate that the sy stem can achieve the conve rsion from the Gaussian beam to the flattened beam ,and the unifo rmity

of flattened beam is87.1%.The m ethod is not only simple but aslo practical and has a sig nificant en-g ineering application value.

Key words:o ptical desig n;aspheric lens;beam shaping;Gaussian beam;flattened beam;flattened Lo rentzian functio n

1　引　言

在激光焊接、激光加工及医学等技术领域,激光能量分布不均匀会导致局部温度过高而破坏材料性能,影响激光与物质相互作用的效果。由于激光光束具有高斯型能量分布特征,因此,需要通过光束整形将高斯光束转换为能量均匀分布的平顶光束以消除温度不均匀引起的不良效果[1]。所谓光束整形是将输入平面上光束的复振幅分布经光学系统调制后,变换为输出平面上符合要求的光束复振幅分布的过程[2]。光束整形技术有孔径光阑整形、衍射光学元件(全息元件)整形、非球面透镜整形及微透镜阵列整形等[4-7]。采用非球面透镜系统是实现高斯光束整形的有效方法,同其它整形技术相比,非球面透镜具有光能利用率高、耐高温、光束易于控制等优点,特别适合于高功率激光束的整形,具有广泛的工程应用前景。

1965年,M.F.Frieden首次提出利用非球面透镜将高斯光束转化为平顶光束的方法[1]。以后,F.M.Dickey等人对透镜整形原理做了详细研究[3]。随着研究的深入,非球面透镜整形在理论上已趋于完善,不过受当时计算机技术和非球面加工技术的限制,80年代以前,非球面透镜整形并未得到广泛应用。近年来,非球面加工工艺的进步为非球面整形技术带来了崭新的活力。目前,非球面整形系统已应用于激光加工和激光焊接领域。为进一步简化高斯光束整形系统的光学设计,本文研究了利用Zemax软件设计高斯光束整形系统的方法,并借助Zemax软件的宏语言(ZPL)功能实现了系统的自动优化。该方法简单,计算量小,具有实用价值。

2　光束整形原理

M.F.Frieden最早研究了利用非球面透镜

组进行光束整形的理论,整形原理如图1所示

。

图1　光束整形原理示意图

Fig.1　Scheme of beam shaping

其中I in为入射光光强,I out为出射光光强,r1

为入射面上任意一光线的坐标值,r2为与之对应

的出射平面的坐标值,ω0为高斯光束的束腰,R0

为平顶光半径。由能量守恒定律可知,包含在r1

范围内的能量与r2范围内的能量相等,为分析方便,将入射光与出射光的能量做归一化处理,即:∫∞02πI in(r1/ω0)r1d r1=∫∞02πI out(r2/R0)r2d r2=1.

(1)

设入射光的光强分布表达式为:

I in(r1/ω0)=

2

π20expω-2

r1

ω0

2

出射光光强分布的选择对于高斯光束整形十

分必要。可作为平顶光束能量分布的函数有:超

高斯函数(Super-Gaussian,SG)、匀化高斯函数(Flattened Gaussian,FG)、超洛伦兹函数(Super Lorentzian,S L)及匀化洛伦兹函数(Flattened Lorentzian,FL)等[7-10],其函数表达式如表1所示:

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