[发明专利]将椭圆高斯光束转化为圆形平顶光束的整形镜组设计方法

说明书

技术领域

本发明属于激光整形技术领域，具体涉及将椭圆高斯光束转化为圆形平顶光束的整形镜组设计方法。

背景技术

激光自问世以来得到了广泛的应用。在激光医疗、材料加工、无掩模光刻、全息等技术领域，往往需要光强分布为平顶函数的激光光束。因此，将激光光束整形为平顶光束尤为必要。目前对激光光束平顶化整形主要有采用二元光学元件、液晶空间光调制器、双折射透镜、基于几何光学方法设计的折射(或反射式)透镜等方法。采用几何光学方法设计的激光光束平顶系统因其具有高能量利用率和适用于高功率激光等优势得到了广泛的应用。

采用几何光学方法设计的激光光束平顶系统包括折射式系统和反射式系统。反射式整形系统不受入射光波长影响，且适用于高功率激光，相比折射式整形系统更具优势，本发明即采用反射式结构。反射式整形系统结构首先由P.H.Malyak提出，他设计的反射式整形系统只针对圆形高斯光束整形，不能对椭圆高斯光束整形。椭圆高斯模是波动方程的精确解之一，部分准分子激光光束和使用单片非球面准直的半导体激光光束均可近似为椭圆高斯光束。随着这类激光器在科研和工程领域的应用，对椭圆高斯光束进行平顶化整形的需求越来越多。

现有技术中D.L.Shealy在‘DesignandanalysisofanellipticalGaussianlaser beamshapingsystem’一文中提出的椭圆高斯光束整形系统。该论文提供了一种将椭圆高斯光束转化为方形平顶光束的反射式整形系统，首先利用能量守恒定律在直角坐标系下推导了入射光束和出射光束之间的坐标关系，然后利用矢量形式的反射定律和等光程思想推导了直角坐标系下反射系统的面形表达式，通过数值解法和光学软件模拟，实现了将椭圆高斯光束整形为方形平顶光束。但是该文给出的整形系统不能将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束，而在准分子激光医疗、激光加工等领域亦需要光斑形状为圆形的平顶光束。

现有技术中VladimirOliker在‘Opticaldesignoffreeformtwo-mirror beam-shapingsystems’提出的不受输入光束和输出光束对称性限制具有普遍适用性的自由曲面双反射镜整形系统设计方法，推导出了表示反射镜面形的二次Monge–Ampère型偏微分方程组，运用该方法将椭圆高斯光束看作矩形对称，入射光束以矩形为孔径，使用变分法数值求解偏微分方程组，求解出两反射镜面形数据，可以将入射光束以矩形为孔径的椭圆高斯光束转化为圆形平顶光束。但是该方法使用变分法对二次Monge–Ampère型偏微分方程组数值求解过程非常复杂，当精度要求较高时，运算时间更长。这种方法相比起传统的利用求解常微分方程或积分公式求反射镜面形数据的方法，不能够利用现有数值计算软件中的函数进行高精度的求解，加大了计算难度。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种将椭圆高斯光束转化为圆形平顶光束的反射式整形镜组设计方法。

本发明设计方法包括以下三个步骤：

第一步、求解坐标关系：

根据椭圆高斯光束的非旋转对称的光束形状，利用能量守恒定律，推导入射椭圆高斯光束和出射圆形平顶光束在x-y平面内的坐标关系；假设入射椭圆高斯光束和出射圆形平顶光束都平行于光轴，(r,θ)为入射椭圆高斯光束的极坐标，为出射圆形平顶光束的极坐标；

椭圆高斯光束光强分布表达式为：