基于非球面透镜的光分束器设计

第41卷第2期红外与激光工程2012年2月Vol.41No.2Infrared and Laser Engineering Feb.2012非球面透镜组激光光束整形系统范增明，李卓，钱丽勋(北京理工大学光电学院，北京100081)摘要：在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束，为此，深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法，该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束；给出了该非球面透镜组设计的基本过程，主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定；最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数，分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。

关键词：激光光束整形；激光光束匀化；非球面透镜组；匀化洛伦兹函数中图分类号：TN249文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)02-0353-05Aspherical lens laser beam shaping systemFan Zengming,Li Zhuo,Qian Lixun(School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)Abstract:Laser beam with uniform light intensity distribution is usually used in the areas such as laser displays.A method of using two aspherical lens to convert a single mode collimated laser beam with Gaussian light intensity distribution to a collimated flat-top beam with uniform light intensity distribution was introduced.Also the basic process of designing an aspherical lens system,mainly including choosing the function of the output beam,determing the ray mapping function and the parameters of the aspherical lens was proposed.According to this design method,the parameters of Galilean configuration and Keplerian configuration aspherical lens laser beam shaping system were determined respectively by selecting the Flattened Lorentzian function as the output beam distribution function which had an analytical ray mapping function.Key words:laser beam shaping;laser beam homogenization;aspherical lens system;flattened Lorentzian function收稿日期：2011-06-22；修订日期：2011-07-19基金项目：国防预研项目作者简介：范增明(1987-),男，硕士研究生，主要从事激光光束整形方面的研究。

高斯光束非球面镜整形系统的设计冯科;李劲松【摘要】Application value of the Gaussian beam with flat-top shaping and some main shaping methods were introduced. Because of the advantages of aspherics, aspherics shaping method was studied, Fermi Dirac function was chosen as a flat-top beam distribution model, and the relationship between its flat-top distribution and the characteristic parameters was analyzed. By analyzing aspherics shaping principle theoretically, according to the law of conservation of energy and ray tracing function, aspheric surface form expression was deduced. Considering the processing factors, the effects of system parameters on the spherical degree was analyzed. And then, by choosing appropriate parameters, MATLAB software was used to solve numerical solution of mapping relation and surface shape curve and fit to get aspheric coefficient. By using ZEMAX optical software to make system modeling, the output beam of light intensity distribution and propagation characteristic could be gotten through the physical optics propagate-POP simulation. As a result, output beam of the flat-top quality is close to the expected effect, and its error mainly comes from numerical calculation accuracy and edge diffraction.% 首先介绍了高斯光束平顶整形的应用价值及一些主要整形方法，由于非球面镜整形的优点，本文研究非球面镜整形法。

非球面透镜光学系统的设计与优化光学系统的设计和优化一直是一个极其重要的话题，而非球面透镜则成为自然成像、潜在光能与纳米光学等领域的基石。

本文将介绍非球面透镜的基本原理和光学系统的设计及优化。

一、非球面透镜的基本原理非球面透镜是一种光学元件，它可以产生曲面的透镜形状，以实现高质量的成像和聚焦。

相较于传统的球面透镜，非球面透镜的设计更加复杂，但其优点之一是可以减少透镜光线折射过程中的折射误差。

非球面透镜的原理是利用曲面形状来消除光线在透镜表面的各种畸变，从而达到更优异的光学性能。

在设计非球面透镜时，需要先了解透镜的几何形状和光学参数等基本信息，然后依此来确定适合的光学设计方法和算法。

经过实践验证，有限差分法和光子映射法是设计非球面透镜的最有效方法。

二、非球面透镜光学系统的设计在设计非球面透镜光学系统时，需要考虑透镜的注视条件，以及所需成像和聚焦的空间点。

例如，对于拥有单个或多个光学元件的光学系统，需要把光束从一个具有高光学复杂性和形状的形状转移到另一个形状。

这个过程通常由非球面透镜完成。

非球面透镜光学系统应关注成像质量和成像速度两大方面。

在成像质量方面，需要考虑消除光学畸变、增加透镜的折射能力等。

而在成像速度方面，需要把注意力集中到减小成像时间和优化成像速度上。

同时，要注意光学系统的造价和实际应用情况等，以便为实际设计和制造提供实用性和经济性的保证。

三、非球面透镜光学系统的优化非球面透镜光学系统的优化涉及很多方面，其中包括保证成像质量和提高成像速度。

在保证成像质量方面，涉及透镜的曲面质量、透射率、折射率和物质等。

因此，在设计非球面透镜光学系统时，必须考虑这些要素，并在实践中进行权衡。

此外，还需要对光学系统进行干涉和调光处理，以进一步保证光学系统的性能，同时提高成像速度和减少光学畸变。

通过减少散射和各种误差，可以显著提高整个光学系统的质量和性能。

总之，非球面透镜光学系统的设计和优化是一个必须深入研究的话题。

第12课：非球面激光光束整形器在第11课中，我们设计了一个激光束整形器，以平整化小型HeNe激光器的高斯光束轮廓。

为了降低制造成本，我们尝试用球面的设计来达到这个目标，因为它比非球面更容易制造。

使用一个六片透镜设计，这似乎符合我们的规格。

也许这种设计可以进一步改进，但我们也必须要考虑六片球面镜是否比两片非球面镜更便宜。

如果不是，那么非球面设计看起来更具吸引力。

让我们从第11课中使用的相同的双透镜配置开始，进行修改，以便我们只将光通量平坦化为1 / e ** 2点。

得到两倍的孔径似乎是不切实际的，需要需要再次优化。

下面是初始结构文件：RLEID LASER BEAMSHAPER! Beginning of lens input fileWA1 .6328 ! Single wavelengthUNI MM ! Lens is in millimetersOBG .35 1 ! Gaussian object; waist radius -.35 mm; define full aperture at the 1/e**2point.1 TH 22 ! Surface 2 is 22 mm from the waist .2 RD -5 TH 2 GTB S SF6! Guess some reasonable lens parameters; use glass type SF6 from Schott catalog3 UMC 0.3 YMT 5 ! Solve for the curvature of surface 3 so the marginal ray has an angle of0.3; find!spacing so ray height is 5 mm on next surfaceRD 20 TH 4 PIN 2 ! Guesses for surface 4UMC 0 TH 50 ! Solve for curvature of 5 so beam is collimated.7 ! Surfaces 6 and 7 existAFOCAL ! because they are required for AFOCAL output.END ! End of lens input file.由于在第11课中学到了很多，可以用此优化函数开始优化。

光学非球面的用途及其优缺点光学非球面是一种复杂的曲面，它在光学系统中具有广泛的应用。

光学非球面的用途主要包括以下几个方面：1. 成像系统：光学非球面在成像系统中具有重要作用，它可以提高成像质量、减小系统尺寸和重量。

例如，在相机镜头、望远镜、显微镜等光学设备中，非球面透镜可以有效地校正像差，提高成像质量。

此外，非球面透镜还可以实现更紧凑的光学系统设计，降低系统的重量和成本。

2. 激光系统：在激光系统中，光学非球面可以提高光束的聚焦性能，减小聚焦光斑的大小。

这对于高功率激光系统尤为重要，因为非球面透镜可以有效地减小热效应，提高激光器的稳定性和寿命。

3. 光纤通信：在光纤通信系统中，光学非球面可以实现高质量的光束整形和耦合。

例如，在光纤耦合器、分束器、波分复用器等器件中，非球面透镜可以提高光束的传输效率和耦合性能。

4. 光电子器件：在光电子器件中，光学非球面可以实现精确的光斑定位和控制。

例如，在光电探测器、光开关、光调制器等器件中，非球面透镜可以实现高效的光能转换和信号处理。

5. 光学测量：在光学测量系统中，光学非球面可以提高测量精度和稳定性。

例如，在干涉仪、光谱仪、偏振计等测量设备中，非球面反射镜和透射镜可以实现精确的波长选择和光束控制。

光学非球面的优点主要包括：1. 灵活性：非球面透镜的形状可以根据需要进行灵活设计，以实现特定的光学性能。

这使得非球面透镜在满足特定应用需求时具有较高的设计自由度。

2. 高性能：由于非球面透镜可以有效地校正像差，因此其成像质量通常优于球面透镜。

此外，非球面透镜还可以实现更紧凑的光学系统设计，降低系统的重量和成本。

3. 高效率：在激光系统中，非球面透镜可以实现高质量的光束聚焦，从而提高系统的输出功率和效率。

此外，非球面透镜还可以减小热效应，提高激光器的稳定性和寿命。

然而，光学非球面也存在一些缺点：1. 制造难度：非球面透镜的制造工艺相对复杂，需要高精度的加工设备和技术。

专利名称：一种基于自由曲面透镜的激光分束系统专利类型：发明专利
发明人：冯泽心,司佳,程德文,王涌天
申请号：CN202110629105.3
申请日：20210603
公开号：CN113325593B
公开日：
20220531
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光分束系统，属于激光光束整形领域。

本发明的目的是为了解决现有几何光学分束技术存在的由于激光带来的衍射效应使得分束效果偏离预期设计的问题，提供一种基于自由曲面透镜的激光分束系统；激光经过第一透镜和第二透镜后形成高斯光束阵列光束，所述光束经过一段距离的传播后在目标位置处形成离散的分束光斑阵列。

本发明通过同步调控光束的照度和波前来实现高精度分束，可在减弱系统衍射效应的同时产生易加工的透镜表面。

申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京正阳理工知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：邬晓楠
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