本發(fā)明屬于非成像光學(xué)和激光光束整形技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種把光強(qiáng)高斯分布、光斑半徑7mm的紅光激光光束整形為光強(qiáng)均勻分布、光斑半徑為36mm的平頂光束的非球面透鏡整形鏡頭。

背景技術(shù)：

在激光沖擊加工、激光清洗、激光全息、激光醫(yī)療、激光測距與雷達(dá)等應(yīng)用中，希望作用光束為橫截面內(nèi)光強(qiáng)均勻分布的平頂光束，然而激光器發(fā)出的光束大都是光強(qiáng)非均勻分布的高斯光束。把高斯光束變換為平頂光束的主要手段就是依靠一套整形系統(tǒng)，這些整形系統(tǒng)主要包括反高斯分布吸收的濾光片整形系統(tǒng)、雙折射率透鏡組整形系統(tǒng)、微透鏡陣列整形系統(tǒng)、衍射光學(xué)元件整形系統(tǒng)、液晶空間光調(diào)制器整形系統(tǒng)、全息濾波器整形系統(tǒng)、振幅調(diào)制光柵整形系統(tǒng)、非球面透鏡組整形系統(tǒng)。

在以上整形系統(tǒng)中，非球面透鏡整形系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、整形效率高、損傷閡值高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn), 具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。非球面透鏡整形系統(tǒng)可以只有一個(gè)單透鏡、也可以有兩個(gè)或者多個(gè)透鏡組成。Yamamota設(shè)計(jì)了一種整形透鏡，能把半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的橢圓形光束整形為圓形的軸對稱光束，并應(yīng)用到激光打印機(jī)中。Banton和Harrigan設(shè)計(jì)出了雙片非球面透鏡整形系統(tǒng)，把光強(qiáng)高斯分布的激光光束轉(zhuǎn)換為光束邊緣光強(qiáng)稍強(qiáng)的圓形平頂光束。雙片非球面透鏡整形系統(tǒng)，第一片透鏡對通過的光束能量進(jìn)行重新分配，以改變光束的光強(qiáng)分布，第二片非球面鏡把光束重新校準(zhǔn)平行出射。由于雙片非球面透鏡系統(tǒng)的每一片透鏡中一個(gè)面都是平面，所以，可以把雙片非球面透鏡簡化成一片透鏡，此片透鏡的前后兩個(gè)面都是非球面，分別代替雙透鏡系統(tǒng)中兩片透鏡實(shí)現(xiàn)對光束的勻化和準(zhǔn)直。

本發(fā)明不僅涉及到把光強(qiáng)高斯分布的光束轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)均勻分布的平頂光束，還涉及到較大倍率的擴(kuò)束和準(zhǔn)直的問題，把半徑為7mm高斯光束變換為半徑為36mm的平頂光束，且平行出射。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種即能擴(kuò)束又能把光強(qiáng)非均勻分布變?yōu)楣鈴?qiáng)均勻分布的雙透鏡整形鏡頭。

本發(fā)明是針對光強(qiáng)分布為、高斯光斑半徑y(tǒng)₀=7mm的平行紅光光束進(jìn)行整形，I₀為中心光強(qiáng)，其整形目標(biāo)是把入射光束整形為光斑半徑36mm的平頂出射光束，且平行出射。

本發(fā)明公開一種激光光束整形鏡頭，其從光束入射方到光束出射方依次包括一第一透鏡，一第二透鏡。第一透鏡為凸平的非曲面透鏡，前表面為非球面，后表面為平面，其材質(zhì)為SK2玻璃，第二透鏡為凹凸非球面透鏡，包括第一非球面和第二非球面，其材質(zhì)亦為SK2玻璃。

相較現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明光束整形鏡頭，不僅涉及到光強(qiáng)的重新分布，還涉及到較大倍率的擴(kuò)束和準(zhǔn)直的問題。鏡頭采用非球面玻璃鏡片，保證了其較好的通光性能。其輸出光強(qiáng)為中心稍有凹陷的平頂分布，適合作為泵浦光，以抵消中心區(qū)域高峰值光強(qiáng)的激光光束很可能破壞晶體介質(zhì)的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明雙非球面透鏡整形鏡頭的結(jié)構(gòu)形狀示意圖；

圖2是本發(fā)明雙非球面透鏡整形鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)示示意圖；

圖3是本發(fā)明雙非球面透鏡整形鏡頭的光束變換過程二維光路模擬圖；

圖4是本發(fā)明雙非球面透鏡整形鏡頭在其光束輸出面上的一維光強(qiáng)分布模擬圖

圖中：1.第一透鏡，2.第二透鏡，3.光束輸出面，11.第一透鏡前表面，12.第一透鏡后表面，21.第二透鏡前表面，22.第二透鏡后表面

具體實(shí)施方式

請參閱圖1，本發(fā)明雙非球面透鏡整形鏡頭自光束入射方至光束出射方依次包括一第一透鏡，一第二透鏡。其中x軸代表光束整形鏡頭的光軸，使用時(shí)光束輸入位置的第一透鏡1為光線首先接觸的透鏡。第一透鏡1為凸平非球面透鏡，包括前表面11為非球面和后表面12為平面，前表面11凸向光束輸入方。第二透鏡2為凹凸雙面非球面負(fù)透鏡，包括前非球面21和后非球面22，其中前非球面21和后非球面22均凸向光束輸出方。第一透鏡和第二透鏡均為以光軸x對稱的形狀。

第一透鏡1和第二透鏡均采用光學(xué)玻璃，本示例優(yōu)選SK2玻璃，其對紅光的折射率為1.601681。第一透鏡1通光口徑是2×9.0176mm，第二透鏡2通光口徑是2×51.1617mm。第一透鏡的側(cè)面是底面半徑為9.0176mm圓柱面，第二透鏡的側(cè)面是底面半徑為51.1617mm圓柱面。

雙非球面透鏡鏡頭針對光強(qiáng)分布為 的紅光光束進(jìn)行整形， I₀為中心光強(qiáng)，高斯光斑半徑y(tǒng)₀=7mm，出射光束的輻照光強(qiáng)近似H=0.1 I₀，出射光束的光斑半徑36mm。

第一透鏡1和第二透鏡2的前后表面均滿足以下偶次非球面表達(dá)式：

（1）

其中為非球面上某點(diǎn)的垂軸高度，x軸為光軸，也為鏡頭的對稱軸，上式中的x值以各非球面11、12、21、22與光軸交點(diǎn)為起點(diǎn)，沿光軸方向的軸向值，也稱為鏡面深度, 其中，非球面11、21、22是通過以上公式確定非球面的形狀；C為非球面的曲率，a₂為圓錐常數(shù)，a_2j為非球面形變系數(shù)，優(yōu)選的11、12、21、22面的非球面系數(shù)a₂、a₄、a₆、a₈取表1中的數(shù)值

優(yōu)選的，該雙透鏡鏡頭系統(tǒng)第一表面（11）頂點(diǎn)與第二表面（12）頂點(diǎn)之間的距離為d₁，第二表面（12）頂點(diǎn)與第三表面（21）頂點(diǎn)之間的距離為d₂，第三表面（21）頂點(diǎn)與第四表面（22）頂點(diǎn)之間的距離為d_3，第四表面（22）頂點(diǎn)距輸出面距離d₄，這些參數(shù)的取值列在表2中