用于激光高斯光束整形的单非球面透镜制造技术

本发明专利技术涉及一种用于激光高斯光束整形的单非球面透镜，属于激光光束整形技术领域。所述的单非球面透镜从光束输入方依次为透镜前表面和透镜后表面，透镜前表面为非球面，后表面为平面，侧表面为圆柱面，透镜前表面凸向光束输出方，透镜的材质为SK2光学玻璃。单非球面透镜针对光强分布为高斯光斑半径y0＝30mm的红光光束进行整形，I0为中心光强，为一任意常数值，出射光束的光斑半径为36mm的平顶光束。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于激光高斯光束整形的单非球面透镜，特别涉及一种把光强高斯分布、光斑半径30mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36mm的平顶光束的单非球面透镜，属于激光光束整形

技术介绍
平顶光束是指在光束传输方向的横截面内光强均匀分布的光束，光强的空间分布形状似一顶平顶的礼帽。由于具有能量分布均匀的特点，在某些半导体激光加工工艺中常需要这种类型的光束，如在显示、全息、平板印刷、光存储、激光加工、激光医疗等应用领域。由于激光光束的光强一般并不是均匀分布的(服从高斯分布)，所以需要对高斯光束进行整形，以便得到均匀性好的光束，此即激光光束整形的目的。所以研究平顶光束的整形对于提高激光加工质量具有重要的实用价值。光束整形有衍射光学和几何光学两种方法：用衍射光学原理设计的衍射光束整形器件能达到较好效果。但是，衍射光学器件由于受到制作工艺复杂，工艺难以控制，成本高等因素的影响，不利于进行产业化应用；而用几何光学原理设计的光束整形光学系统，其加工工艺较成熟，有利于解决产业化应用问题。非球面整形系统就是根据几何光学原理设计的光束整形系统，非球面透镜组整形系统通常由两个非球面透镜组成，根据第一个非球面的形状可以分为两种类型：当第一个非球面是凹面时为伽利略型，当第一个非球面为凸面时为开普勒型。P.W.Rhodes和D.L.Shealy用解整形方程的方法设计出了激光光束整形系统，由平凹和平凸两片非球面透镜组成，并应用到全息投影中；Y.Yamamota设计了畸变像差透镜，可以把半导体激光器发出的椭圆光束变换为圆形对称的光束，并用在激光打印机中，这种透镜的前表面旋转对称，后表面则是自由曲面；G.H.Burkhart和R.A.Ferrante设计了非球面柱透镜，可以把激光二极管阵列发出的非对称像散光束校准。由于计算机技术、光学设计软件技术、非球面加工及检测技术的发展，非球面整形透镜已从实验室走向实用化。非球面整形透镜具有耐高温、激光损伤阈值高，技工工艺成熟等特点，必将在激光加工、激光焊接、光信息存储等
发挥重要作用。在双片非球面透镜整形系统中，第一片透镜对通过的光束能量进行重新分配，以改变光束的光强分布，第二片非球面镜把光束重新校准平行出射。由于双片非球面透镜系统的每一片透镜中的一个面都是平面，所以，可以把双片非球面透镜简化成一片透镜，此片透镜的前后两个面都是非球面，分别代替双透镜系统中两片透镜实现对光束的匀化和准直。本专利技术就是涉及到用一个单非球面透镜把光强高斯分布的光束转换为光强均匀分布的平顶光束，并且出射光束还近似平行出射，以实现双片非球面透镜对光束强度重新分配和校准的作用。特别是单非球面透镜的一个面为平面，更加使透镜结构简化。把半径为7mm高斯光束变换为半径为36mm的平顶光束，且平行出射。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于激光光束整形的单非球面透镜，透镜的结构比以往结构更加简化，只有一个面是非曲面，另一个面是平面，且既能把光强非均匀分布高斯光束变为光强均匀分布的平顶光束，又能近似的实现光束的重新校准，使光束近似平行出射，扩大其工作范围。本专利技术所述的用于激光高斯光束整形的单非球面透镜从光束输入方到光束输出方按顺序是透镜前表面和透镜后表面，透镜前表面为非球面，透镜后表面为平面，侧表面为圆柱面；单非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径y0＝30mm，出射光束是光斑半径为36mm的平顶光束。其中：透镜前表面和透镜后表面均用以下方程描述： x = Cr 2 1 + 1 - r 2 C 2 ( 1 + a 2 ) + Σ j = 2 5 a 2 j r 2 j ]]>其中，为非球面某点的垂轴高度，C为非球镜面的曲率，a2为圆锥常数，a2j为非球面形变系数，x轴为光轴，也为整个系统的对称轴，参数C、a2、a2j的取值如下表所示：所述的单非球面透镜所用材料为对红光折射率为1.601681的SK2玻璃。所述的单非球面透镜前后表面顶点之间的距离为11.9187mm，透镜后表面顶点到输出面的距离为430.4645mm。所述的单非球面透镜的通光口径是2×38.0mm。本专利技术是针对光强分布为、高斯光斑半径y0＝30mm的平行红光光束进行整形，I0为中心光强，其整形目标是把入射光束整形为光斑半径36mm的平顶出射光束，且平行出射。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的单非球面透镜结构简单，且非球面透镜只有一个面是非球面，不仅实现了光强的重新分布，还实现了扩束和准直的问题；镜头采用非球面玻璃镜片，保证了其较好的通光性能。其输出光强为中心稍有凹陷的平顶分布，这样的光斑能产生明显的激光边界，使激光处理区域和未经处理的区域非常明晰。附图说明图1是本专利技术单非球面透镜形状示意图；图2是本专利技术单非球面透镜变换原理示意图；图3是本专利技术单非球面透镜光束变换过程二维光路模拟图；图4是本专利技术单非球面透镜在其光束输出面上的一维光强分布模拟图。图中：1、透镜前表面；2、透镜后表面；3、光束输出面；4、输入高斯光束；5、输出平顶光束。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步描述。实施例1如图1所示，用于激光高斯光束整形的单非球面透镜从光束输入方到光束输出方依次为透镜前表面1和透镜后表面2，透镜前表面1为非球面，透镜后表面2为平面，侧表面为圆柱面，其中x轴代表光束整形镜头的光轴，透镜为以光轴x对称的形状。透镜采用SK2光学玻璃，其对红光的折射率为1.601681；透镜通光口径是2×38.0mm，透镜侧面是底面半径为38.0mm圆柱面。单非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径y0＝30mm，出射光束是光斑半径为36mm的平顶光束。透镜前表面1和透镜后表面2均用以下方程描述： x = Cr 2 1 + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于激光高斯光束整形的单非球面透镜，其特征在于：从光束输入方到光束输出方依次为透镜前表面(1)和透镜后表面(2)，透镜前表面(1)为非球面，透镜后表面(2)为平面，侧表面为圆柱面；单非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径y0＝30mm，出射光束是光斑半径为36mm的平顶光束。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光高斯光束整形的单非球面透镜，其特征在于：从光束输入方到光束输出方依次为透镜前表面(1)和透镜后表面(2)，透镜前表面(1)为非球面，透镜后表面(2)为平面，侧表面为圆柱面；单非球面透镜针对光强分布为的红光光束进行整形，I0为中心光强，高斯光斑半径y0＝30mm，出射光束是光斑半径为36mm的平顶光束。2.根据权利要求1所述的用于激光高斯光束整形的单非球面透镜，其特征在于：透镜前表面(1)和透镜后表面(2)均用以下方程描述： x = Cr 2 1 + 1 - r 2 C 2 ( 1 + a ...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦华，颜景川，
申请(专利权)人：山东镭泽智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37