專利名稱：：一種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法及光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法及光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
：隨著LD(LaserDiode,激光二極管)、LED(LightEmittingDiode，發(fā)光二級光)、VCSEL(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器)等半導(dǎo)體激光器、固體激光器和氣體激光器應(yīng)用日益廣泛，非均勻光束，尤其是高斯光束的均勻化在許多應(yīng)用領(lǐng)域中成為非常必要的問題。如激光照射，測距，自由空間光通信、激光泵浦、全息照相、相干光數(shù)據(jù)處理、高分辨動態(tài)紅外雷達系統(tǒng)、激光打孔、激光打標(biāo)、激光焊接、激光影印及光信息技術(shù)等的很多應(yīng)用領(lǐng)域均要求光束均勻照射目標(biāo)。目前，對不均勻光束的均勻化都是采用多片鏡片對不均勻光束進行均勻化，請參見圖1所示，圖1為現(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)光束均勻化的原理示意圖，該方法利用分束裝置將所述光源1傳來的光束轉(zhuǎn)換成多條近似平行的光束，該分束裝置包括第一分束鏡11和第二分束鏡12;利用光疊合裝置，用來將所述多條光束疊合以形成一比光源所發(fā)出原光束更為均勻的疊合光束，該疊合裝置包括第一疊合透鏡21和第二疊合透鏡22,利用第一疊合透鏡21，為一凸透鏡，設(shè)于在分束裝置的后側(cè)，用來接收所述分束裝置傳來的多條近似平行的光束，利用第二疊合透鏡22，為一凹透鏡，平行地設(shè)置于第一疊合透鏡之后且位于所述第一疊合透鏡的焦距之內(nèi)，用來接收所述第一疊合透21鏡所傳來的多條光束，其中，第一疊合透鏡21與第二疊合透鏡22的光軸相互重合以形成一中心軸。還有一種采用非球面透鏡實現(xiàn)光束均勻化的方法，請參見圖2和圖3所示，圖2為采用多片非球面透鏡實現(xiàn)光束均勻化的實施例原理示意圖，圖3為采用多片非球面透鏡實現(xiàn)光束均勻化的另一實施例原理示意圖，圖2中的201和202以及圖3中301和302均為非球面透鏡，采用光程差相等原理，推出了伽利略和開普勒兩種高斯光束均勻化系統(tǒng)。圖2中第一個平凹(平凸)非球面透鏡把高斯光束發(fā)散(匯聚)后通過第二個凸平非球面透鏡后，出射光束為均勻分布光束；圖3中第一個平凸非球面透鏡把高斯光束匯聚后通過第二個凸平非球面透鏡后，出射光束為均勻分布光束，該系統(tǒng)很多時候也采用3片或3片以上的透鏡來實現(xiàn)對應(yīng)非均勻光束的均勻化。圖1、圖2或圖3所示的實現(xiàn)光束均勻化的系統(tǒng)，采用此種方法輸入的高斯光束為準(zhǔn)直的平行的光束，需要在輸入前進行準(zhǔn)直處理，需要另外的準(zhǔn)直系統(tǒng)，而增加一個準(zhǔn)直系統(tǒng)使原本就需要多片鏡片或需要采用兩個高次非球面的非球面透鏡才能進行光束均勻化的系統(tǒng)更加復(fù)雜，這樣數(shù)量較多的光學(xué)器件的調(diào)試過程很復(fù)雜，因此也容易導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)，同時這樣的光學(xué)系統(tǒng)的制造成本和制造難度都非常高，不容易實現(xiàn)大規(guī)模的使用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法及光學(xué)器件，能夠利用單個光學(xué)元件對非均勻光束進行有效的均勻化，并節(jié)省成本。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供了一種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法，該方法包4舌光學(xué)器件的第一表面接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將該光束進行發(fā)散，所述第一表面具體為球面或非球面；光學(xué)器件的第二表面重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，所述第二表面為非球面。相應(yīng)的，本發(fā)明實施例提供一種光學(xué)器件，包括第一表面，該表面用于接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，所述第一表面具體為球面或非球面；第二表面，重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，所述第二表面為非球面。本發(fā)明實施例通過利用雙非球面透鏡的第一表面來接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，利用第二表面通過改變所述經(jīng)第一表面發(fā)散后光束的相位輸出為準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束的方法，能夠采用最少的光學(xué)器件完成輸入的發(fā)散的高斯光束的準(zhǔn)直和均勻化，避免多個光學(xué)器件的復(fù)雜調(diào)試，同時節(jié)約了使用成本和制造成本。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)光束均勻化的原理示意圖；圖2為采用多片非球面透鏡實現(xiàn)光束均勻化的實施例原理示意圖；圖3為采用多片非球面透鏡實現(xiàn)光束均勻化的另一實施例原理示意圖；圖4為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法流程示意圖；圖5為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的一實施例示意施例示意施例示意圖8為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的再一實施例示意圖。具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步的詳細(xì)描述。請參見圖4，圖4為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束均勻化的方法流程示意圖。本發(fā)明實施例中的光學(xué)器件為雙非球面透鏡，輸入光源采用發(fā)散的高斯光束，由于第一表面為球面時，其原理相同，因此不再贅述。如圖4所示，該方法包括步驟S101,光學(xué)器件的第一表面接i輸入的發(fā)散的高斯光束，并將該光束進行發(fā)散。雙非球面透鏡的兩個非^求面為第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面具有相同的彎曲方向，且滿足非球面方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，r為透鏡的口徑，Z軸為透鏡縱向，z(r)為透鏡的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……為高次非球面系數(shù)，k為二次曲面系數(shù)，c為曲率。當(dāng)?shù)谝槐砻娼邮盏轿唇?jīng)準(zhǔn)直的輻射分布為/二戶expf(2,/w2)}0<W)(w為1/e2時激光束腰，p為激光功率，R為光斑直徑)的激光高斯光束，首先將該入輸入光束進行發(fā)散。因為第一表面對輸入的高斯光束的發(fā)散，因此在能夠在實現(xiàn)高斯光束的準(zhǔn)直和均勻化輸出平頂光束同時實現(xiàn)光束的擴束。步驟S102,光學(xué)器件的第二表面重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，該第二表面為非球面。光學(xué)器件的兩個非球面滿足輸出的準(zhǔn)直為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的'高斯光束的強度，其中，基本誤差為根據(jù)光束均勻化精度得出的誤差。非球面可以通過自身各點不同的曲率對經(jīng)第一表面發(fā)散后光束的相位進行重新排布輸出為準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。第一表面和第二表面的規(guī)格可以由高斯光束的輻射分布和為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的高斯光束的強度，即IIN=IOUT，以及需要得到的均勻化平頂光束的光線分布來進行具體設(shè)置，通常情況下輸出的均勻化平頂光束的光斑為對稱型，這種對稱型的平頂光束在實際使用中應(yīng)用最為廣泛。例如透鏡的材料K9的折射率為1.52，其參數(shù)如表l-表2所示，其中光源的間距為光源到透鏡的距離，第一表面的距離為非球面的中心厚度，第二表面的距離為第二表面中心頂點到焦點的距離。當(dāng)光纖耦合半導(dǎo)體激光發(fā)光面大小0.2mm,發(fā)散角度21.7度，數(shù)值孔徑NA-0.37,要求準(zhǔn)直后的發(fā)散角度為2mrad,由拉格朗日知，準(zhǔn)直后的光斑為74mm，同時可知道焦距f=100mm，要求50米處光斑為均勻分布平頂光束，由D^D+丄x2sinW知，此時光斑為134mm。表1類型曲率半徑間距光源79.17第一表面(非球面)371.1535第二表面(非球面)-57.1750000表2曲面系凄史kABCD第一表面57.58808209.5114804e-7-2.1037285e-100第二表面-0.97113302.039528e-71.9060542e-100第一表面和第二表面的曲率半徑如表1所示，第一表面的曲面系數(shù)均為如表2所示，輸入的未經(jīng)準(zhǔn)直的激光高斯光束后對該光束進行發(fā)散，在通過曲面系數(shù)如表2所示的第二表面時，調(diào)整激光高斯光束的相位對高斯光束進行均勻化，在50米處獲得直徑為134mm的均勻化的準(zhǔn)直的平頂光束，此時由于有50米的傳輸距離，因此第二表面輸出的重置了相位的光束在傳輸50米后獲得準(zhǔn)直的均勻化的平頂光束。再例如透鏡的材料K9的折射率為1.52，其參數(shù)如表3-表4所示，其中光源的間距為光源到透鏡的距離，第一表面的距離為非球面的中心厚度，第二表面的距離為第二表面中心頂點到焦點的距離。當(dāng)VCSEL的發(fā)光面大小0.1mm,發(fā)散角度17.5度，則數(shù)值孔徑NA=0.3要求準(zhǔn)直后的發(fā)散角度為2mrad,由拉格朗日不變量公式"Q"sm":""sm"(D為準(zhǔn)直的光斑直徑大小，nQ、n為入射前后的折射率，在大氣中，都取l，則透鏡焦距/二"《2sin^))，準(zhǔn)直后的光斑直徑30mm,同時可知道焦距卜50mm，要求500米處光斑為均勻分布平頂光束，由D'二i)+丄x2sinW(D'為透鏡到目標(biāo)靶面的距離為L時的光斑大小)知，此時光斑為1030mm。表3<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>第一表面和第二表面的曲率半徑如表3所示，其中第一表面為球面，所以該^^面的曲面系數(shù)如表4所示均為零，的輸入未經(jīng)準(zhǔn)直的激光高斯光束后對該光束進行發(fā)散，在通過曲面系數(shù)如表4所示的第二表面時，調(diào)整激光高斯光束的相位對高斯光束進行均勻化，在500米處獲得直徑為1030mm的準(zhǔn)直的均勻化的平頂光束，此時由于有500米的傳輸距離，因此第二表面輸出的重置了相位的光束在傳輸500米后獲得準(zhǔn)直的均勻化的平頂光束。請參見圖5所示，圖5為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的一實施例示意圖。所采用的輸入光源為發(fā)散的高斯光束。如圖5所示，該光學(xué)器件包括第一表面IO和第二表面20;其中，第一表面10和第二表面20均為非球面，且二者的彎曲方向相反，兩個表面均滿足非球面方程z(r)=——,+Ar2+Br4+Cr6+Drs+Er1Q+Fr12+……；其中，rl+^/l-(l+k)c2k2為透鏡的口徑，Z軸為透鏡縱向，z(r)為透鏡的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……為高次非球面系數(shù)，k為二次曲面系數(shù)，c為曲率。第一表面10,該表面用于接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，該第一表面10為非球面。當(dāng)?shù)谝槐砻?0接收到準(zhǔn)直輸入的輻射分布為"戶exp(-(2一/w1的未經(jīng)準(zhǔn)直的激光高斯光束，首先將該入輸入光束進行發(fā)散。因為第一表面IO對輸入的發(fā)散的高斯光束進行發(fā)散處理，因此在能夠在實現(xiàn)高斯光束均勻化輸出平頂光束的同時實現(xiàn)光束的擴束。第二表面20,重置所述第一表面IO發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。第一表面10和第二表面20滿足輸出的準(zhǔn)直為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的高斯光束的強度，其中，基本誤差為根據(jù)光束均勻化精度得出的誤差。非球面可以通過自身各點不同的曲率對經(jīng)第一表面發(fā)散后光束的相位進行重新排布，當(dāng)輸出光束的使用距離與第二表面20之間間隔很短的時候，第二表面20可根據(jù)該間隔的設(shè)定，直接輸出準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。第一表面10和第二表面20的規(guī)格可以由高斯光束的輻射分布和為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的高斯光束的強度，即^=/。^,以及需要得到的均勻化的準(zhǔn)直的平頂光束的光線分布來進行具體設(shè)置，通常情況下輸出的均勻化的準(zhǔn)直的平頂光束的光斑為對稱型，這種對稱型的平頂光束在實際使用中應(yīng)用最為廣泛。上述表l-表4已給出2個具體的例子，在此不再進行贅述。請參見圖6所示，圖6為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的另一實施例示意圖，當(dāng)輸出光束的使用距離與第二表面22之間后在介質(zhì)33中傳輸一段距離后，獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，該距離視實際需要而定，圖6中的介質(zhì)為空氣，實際使用時還可以根據(jù)需要采用導(dǎo)光的其他介質(zhì)。請參見圖7所示，圖7為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的又一實施例示意圖。所采用的輸入光源為發(fā)散的高斯光束。如圖5所示，該光學(xué)器件包括第一表面10和第二表面20;其中，第一表面10和第二表面20均為非球面，且二者的彎曲方向相反，兩個表面均滿足非球面方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>，其中r為透鏡的口徑，Z軸為透鏡縱向，z(r)為透鏡的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……為高次非球面系數(shù)，k為二次曲面系數(shù)，c為曲率。第一表面30,該表面用于接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，該第一表面0為球面。當(dāng)?shù)谝槐砻?0接收到準(zhǔn)直輸入的輻射分布為/=/^鄧{-(2,/^2)}的未經(jīng)準(zhǔn)直的激光高斯光束，首先將該入IIT入光束進行發(fā)散。因為第一表面30對輸入的發(fā)散的高斯光束進行發(fā)散處理，因此在能夠在實現(xiàn)高斯光束均勻化輸出平頂光束的同時實現(xiàn)光束的擴束。第二表面40,重置所述第一表面30發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。第一表面30和第二表面40滿足輸出的準(zhǔn)直為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的高斯光束的強度，其中，基本誤差為根據(jù)光束均勻化精度得出的誤差。非球面可以通過自身各點不同的曲率對經(jīng)第一表面發(fā)散后光束的相位進行重新排布，當(dāng)輸出光束的使用距離與第二表面40之間間隔很短的時候，第二表面40可根據(jù)該間隔的設(shè)定，直接輸出準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。第一表面30和第二表面40的規(guī)j各可以由高斯光束的輻射分布和為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的高斯光束的強度，即7加=/。^，以及需要得到的均勻化的準(zhǔn)直的平頂光束的光線分布來進行具體設(shè)置，通常情況下輸出的均勻化的準(zhǔn)直的平頂光束的光斑為對稱型，這種對稱型的平頂光束在實際使用中應(yīng)用最為廣泛。上述表l-表4已給出2個具體的例子，在此不再進行贅述。請參見圖8所示，圖8為本發(fā)明實施例實現(xiàn)光束的準(zhǔn)直和均勻化的光學(xué)器件及其光路的再一實施例示意圖，經(jīng)過笫一表面33，發(fā)散后，該第一表面33為球面，當(dāng)輸出光束的使用距離與第二表面44之間間隔很短的時候，該第二表面44為非球面，可根據(jù)該間隔設(shè)置該非球面的曲率，先輸出重置了相位的準(zhǔn)直的光束，然后在介質(zhì)55中一段傳輸距離后，獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束。本發(fā)明實施例通過利用雙非球面透鏡的第一表面來接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，利用第二表面通過改變所述經(jīng)第一表面發(fā)散后光束的相位輸出為均勻分布的準(zhǔn)直的平頂光束的方法能夠采用最少的光學(xué)器件完成輸入的發(fā)散的高斯光束的準(zhǔn)直和均勻化，避免多個光學(xué)器件的復(fù)雜調(diào)試，同時節(jié)約了使用成本和制造成本。以上所列舉的僅為本發(fā)明較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。權(quán)利要求1、一種實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法，其特征在于，包括光學(xué)器件的第一表面接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將該光束進行發(fā)散，所述第一表面具體為球面或非球面；光學(xué)器件的第二表面重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，所述第二表面為非球面。2、如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法，其特征在于，所述光學(xué)器件的第二表面重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位前，還包括將所述第二表面的彎曲方向置于與第一表面的彎曲方向相反的方向。3、如權(quán)利要求1或2所述的實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勾化的方法，其特征在于，在所述獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束前，還包括將所述重置相位的光束置于介質(zhì)中傳輸一段距離。4、如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法，其特征在于，輸出的所述重置相位的光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的發(fā)散的該高斯光束的強度，所述基本誤差為根據(jù)光束均勻化精度得出的誤差。5、一種光學(xué)器件，其特征在于，包括第一表面，該表面用于接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將光束進行發(fā)散，所述第一表面具體為球面或非球面；第二表面，重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，所述第二表面為非球面。6、如權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述第一表面和第二表面的彎曲方向相反。7、如權(quán)利要求5或6所述的光學(xué)器件，其特征在于，所述光學(xué)器件滿足輸出的準(zhǔn)直為均勻分布的平頂光束的強度在基本誤差范圍內(nèi)等于輸入的非均勻光束的強度。8、如權(quán)利要求5或6所述的光束的準(zhǔn)直和均勻化方法，其特征在于，當(dāng)所述第一表面為非球面時滿足非球面方程z(r)=——,:+Ar2+Br4+Cr6+Drs+Er1Q+Fr12+……；其中，1+Vl-(l+k)c2k2r為透鏡的口徑，Z軸為透鏡縱向，z(r)為透鏡的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……為高次非球面系數(shù)，k為二次曲面系數(shù)，c為曲率。9、如權(quán)利要求5或6所述的光束的準(zhǔn)直和均勻化方法，其特征在于，所述第二表面為非球面時滿足非球面方程z(r)=——,+Ar2+Br4+Cr6+Dr8+Er1。+Fr12+……；其中，1+Vl-(l+k)c2k2r為透鏡的口徑，Z軸為透鏡縱向，z(r)為透鏡的弧矢高度，A、B、C、D、E、F……為高次非^求面系數(shù)，k為二次曲面系數(shù)，c為曲率。全文摘要本發(fā)明實施例公開了實現(xiàn)光束準(zhǔn)直和均勻化的方法，包括光學(xué)器件的第一表面接收輸入的發(fā)散的高斯光束，并將該光束進行發(fā)散，所述第一表面具體為球面或非球面；光學(xué)器件的第二表面重置所述第一表面發(fā)散后光束的相位，并獲得準(zhǔn)直的均勻分布的平頂光束，所述第二表面為非球面。本發(fā)明實施例還公開了一種光學(xué)器件，能夠采用最少的光學(xué)器件完成發(fā)散的高斯光束的均勻化和準(zhǔn)直，避免多個光學(xué)器件的復(fù)雜調(diào)試，同時節(jié)約了使用成本和制造成本。文檔編號G02B27/00GK101363922SQ200810067999公開日2009年2月11日申請日期2008年6月25日優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日發(fā)明者勾志勇申請人:深圳市世紀(jì)人無線通訊設(shè)備有限公司