下载文档原格式
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。
第38卷 第4期中 国 激 光V ol.38,N o.42011年4月CHINESE JO URNAL OF LASERSApril,2011利用衍射理论对基模高斯光束进行整形王小发1,2,3康治军3 樊仲维1,3,*连富强1,2,3黄 科1,2,3余 锦11中国科学院光电研究院,北京1000802中国科学院研究生院,北京1000493北京国科世纪激光技术有限公司,北京100085摘要 为了获得在液晶修复技术中所需要的光束质量好、能量分布比较均匀的矩形光束,提出了一种新的光束整形系统。
在这个系统中,通过对光阑后不同位置衍射效应的理论分析和计算,获得相应的衍射光斑图样,再利用4f 像传递系统对理想的光斑图样进行提取和传递,经过扩束聚焦之后,用于加工样品,并设计了相应的实验装置来验证这种系统的可行性。
研究结果表明,过光阑后不同位置的衍射面呈现出复杂的衍射图样,等效距离在56.0~58.5mm 之间能够选取到平化效果非常好的衍射面,4f 成像系统对其实现了较好的像传递,整形光束顶部的能量波动量小于5%,能量提取率达到80%。
关键词 激光光学;基模高斯光束;光束整形;矩形光阑;4f 成像系统中图分类号 O436.1 文献标识码 A d oi :10.3788/CJL 201138.0402006Beam Shaping of TEM 00Gaussian Be am by Using Diffraction TheoryWang Xiaofa 1,2,3 Kang Zhijun 3 Fan Zhongwei 1,3 Lian Fuqiang 1,2,3Huang Ke1,2,3Yu Jin11T he Academ y of Opt o Elect r onics ,Chin ese Academ y of Scien ces ,Beijing 100080,China2Gr a du a te U niv er sity of Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100049,China3Beijin g GK La ser T echnology Co.,L td ,Beijing 100085,Chin aAbstract I n order to obtain the rectangular beam required for liquid crystal display(LCD)repair technology with good beam qua lit y and uniform energy distribution,a new beam shaping system has been proposed.I n this system,related diffraction patterns can be obtained by ca lculating and analyzing the diffraction effects in theory at different positions through rectangular aperture,and a proper diffraction surfac e,which will be used to process the sa mple,c an be extracted and transferred by using 4f image relaying system.In addition,a relevant experimental device has been designed to prove the feasibility of this system.The results show that there exit some of the c om plex diffrac tion patterns after passing through the apert ure,and some diffraction planes with very good energy uniformity distribution c an be selec ted in the 56.0~58.5mm range of the equivalent distance.The effective delivery is achieved by the use of 4f imaging system,the fluctuation range of energy on the top of sha ped beam is less than 5%,and energy efficiency is about 80%.Key wo rds la sers optic s;TEM 00Gaussian beam;beam shaping;rec tangular aperture;4f ima ging system OCIS co des 260.0260;220.0220;110.0110;050.0050收稿日期:2010 10 12;收到修改稿日期:2010 12 06基金项目:国家863计划(2008AA 031901)和国家自然科学基金(60927010)资助课题。
基于改进gs算法的衍射光学光束整形元件的设计## 1. 引言衍射光学元件（DOEs）作为一种特殊类型的光学元件，可以将入射光束变换成具有特定形状、尺寸、方向和相位分布的出射光束，实现光束的分束、合束、变换、聚焦、相位分布调整等功能。
## 2. 常规GS算法及其局限性GS算法（Gaussian Singularity Estimation）是一种用于求解光学系统衍射像差的方法，其可以准确地获得光学系统中各元件的像差，是设计衍射光学元件的关键算法。
在GS算法中，计算的准确性严重依赖于光线传播模型、积分项的选择、光线束的预处理等，这导致了GS算法在实际应用中存在一定的局限性。
## 3. 改进GS算法的基本思想为了克服GS算法在实际应用中的局限性，本文提出了一种改进的GS算法。
改进的GS算法基于连续介质假设，利用更有效的光线传播模型和积分项，引入了基于光线束预处理的误差容忍策略，从而提高了算法的计算准确性和稳定性。
## 4. 改进GS算法的实现4.1 光线传播模型的改进改进的GS算法采用了更为精确的光线传播模型，其中包括线段模型和光线矢量模型。
线段模型用于描述光线在理想介质中的传播，光线矢量模型则考虑了光线在光子晶体等特殊介质中的传播。
此外，针对不同的介质类型，算法还采用了相应的折射率分布和色散模型。
4.2 积分项的改进传统的GS算法采用了双边Schrödinger方程作为积分项，对于不同类型的光学系统，该方程的选择并不完全适用。
因此，本文采用了多种积分项，包括经典的Schrödinger方程、Godunov-Krasovskii方程、Dirac方程等，这些积分项可以更准确地描述光学系统中的散射和色散现象。
4.3 误差容忍策略的引入在改进的GS算法中，本文采用了基于光线束预处理的误差容忍策略。
该策略通过在光线传播过程中引入预处理操作，如弱光束增强、焦平面偏移、光线方向预调整等，以减小光束在传播过程中的误差，提高光线传播模型的准确性。
高斯光束整形技术研究高斯光束整形技术研究摘要：高斯光束是应用广泛的光学自由空间通信等领域的重要光源。
然而，高斯光束本身存在一些缺陷，如光束直径不可调的问题。
因此，研究高斯光束整形技术变得尤为重要。
本文将介绍高斯光束整形技术的研究背景、原理和应用，并对其优势和存在的挑战进行讨论。
一、引言高斯光束是一种常见的光束模式，具有较强的方向性和聚焦能力。
然而，高斯光束的光束直径在传输过程中是不可调的，这限制了其在一些特定应用中的使用。
为了解决这个问题，研究者们提出了高斯光束整形技术，通过改变光束的传输特性来调控光束直径。
二、高斯光束整形原理高斯光束的整形可以通过使用光学元件来实现。
常用的方法包括使用透镜、光栅、相位调制器等光学元件来改变光束的传输特性。
透镜可以调整光束的焦距，从而改变光束的直径。
光栅可以通过成像和衍射效应来控制光束的传输性质。
相位调制器可以调节光束的相位，实现光束直径的调节。
三、高斯光束整形应用高斯光束整形技术在许多领域具有广泛的应用。
在激光通信中，高斯光束整形技术可以用于提高光束的传输效率和稳定性，从而增加通信的可靠性。
在激光材料加工中，通过调节光束的直径可以实现对材料加工的精准控制，提高加工的精度和效率。
另外，高斯光束整形技术还可以应用于激光医疗、激光雷达等领域。
四、优势和挑战高斯光束整形技术具有一些优势，如简单易实现、成本较低、应用范围广等。
然而，该技术还面临一些挑战。
首先，光束整形的过程会引入一定的能量损耗，影响光束的功率。
其次，高斯光束整形技术需要高精度的光学元件，对工艺和制造水平有较高的要求。
此外，高斯光束整形技术在不同的光学系统中可能会存在适应性差异的问题，需要进一步研究和优化。
五、结论高斯光束整形技术研究的发展为高斯光束的应用提供了更多的可能性。
通过调节光束的直径，可以满足不同领域对光束的要求，提高光束的使用效率和精度。
尽管高斯光束整形技术在应用中面临一些挑战，但相信随着技术的不断进步和完善，这些问题将逐步得到解决。
![一种光束整形的光学系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/71e1eba9767f5acfa0c7cdda.png)
专利名称：一种光束整形的光学系统专利类型：发明专利
发明人：昌思怡,秦应雄,葛佳琪,徐家明申请号：CN202011623708.4
申请日：20201231
公开号：CN112612141A
公开日：
20210406
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种光束整形的光学系统，包括：偏振平板分束镜、螺旋相位板、第一全反镜片、第二全反镜片和第一偏振分光棱镜；其中，高斯分布的线偏振光以45°入射角入射到偏振平板分束镜，分离为偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束，第一光束经过螺旋相位板后能量分布由高斯分布变为环形分布，得到涡旋光；第二光束保持高斯分布不变，第一光束和第二光束分别在两个光路上等距传输至第一偏振分光棱镜进行合束，第一偏振分光棱镜通过将能量呈环形分布的涡旋光和能量呈高斯分布的第二光束进行叠加，生成类平顶圆光斑。
该光学系统可以对光束进行整形从而获得能量分布均匀，抗失调特性优良的类平顶圆形光斑，适用于激光熔覆等多种激光加工领域。
申请人：华中科技大学
地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍：CN
代理机构：华中科技大学专利中心
代理人：李智
更多信息请下载全文后查看。
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 .20111907.1464Optical design of Gaussian beam shapingGAO Yu -han1＊,AN Zhi -yong 1,LI Na -na1,2,ZH AO Wei -xing 3,WANG Jin -song1(1.School o f Optics and E lectronic E ngineering ,Changchun University o fScience 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 rmityof 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 n1 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。
高阶模高斯光束整形方法研究
高瑀含;安志勇;李丽娟;王劲松
【期刊名称】《光学与光电技术》
【年(卷),期】2011(9)5
【摘要】研究了高阶模高斯光束的整形方法。
在高阶模高斯光束和平顶光束理论
模型的基础上,分别选择了平顶洛仑兹函数和费米狄拉克函数作为平顶光分布函数,
利用能量守恒定律,分别推导针对拉盖尔-高斯光束和厄米特-高斯光束整形系统中
入射光与出射光的映射函数。
最后利用ZEMAX软件设计了针对TEM01模高斯光束进行整形的非球面透镜元件。
结果表明,可进行任意阶数的高斯模高斯光束整形。
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】光束整形;高阶模高斯光束;平顶光束
【作者】高瑀含;安志勇;李丽娟;王劲松
【作者单位】长春理工大学光电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
【相关文献】
1.光束分析仪测量高阶拉盖尔高斯光束暗区半径研究 [J], 苏志锟;李永亮;谢嘉宁
2.高斯光束整形为平顶光束的双凸非球面镜的数值模拟与分析 [J], 陈凯;陈檬;李港;牛岗;樊仲维;麻云凤
3.高阶模高斯光束入射时透镜光轴上的光场分布 [J], 蔡祥宝;秦卫平
4.一种将非对称高斯光束变换成对称高斯光束的方法 [J], 吴敏谦;李成志
5.高阶椭圆厄密-高斯光束的轨道角动量研究 [J], 张洪宪;赵珩
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
