[发明专利]一种基于自由曲面透镜的激光分束器

权利要求书

1.一种基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：激光经过透镜前后表面后形成高斯光束阵列光束，所述光束经过一段距离传播后在目标位置处形成离散的分束光斑阵列；

光源发出的光线经分束透镜第一表面折射后沿着到达第二表面，入射光线和折射光线之间的关系满足斯涅耳定律，即：

其中：均为单位方向向量；为入射光线，为折射光线，为第一表面的法向量场；n₁₂＝n₁/n₂，n₁和n₂分别为入射介质和折射介质的折射率；由于入射光束需要被离散化，并由携带能量的有限条入射光线表示，因此，为由单位向量组成的矩阵；第一表面的初始形态可人为给出；

所述第二表面与第一表面的关系为：

第二表面是根据光学系统的光程相等条件由式(2)计算得到的：

n₁·|WP₁|+n₂·|P₁P₂|+n₁·|P₂W'|＝L (2)

其中，W为入射波前，W’为出射波前，L为光程常数；在确定第一表面面型P₁之后，求解上述方程便可得到与第二表面有关的面型数据P₂；

而在由光程相等条件计算得到第二表面之后，可以对第一表面的面型进行修正，具体为，根据当前的P₁和P₂可计算

结合由式(4)便可进一步计算得到第一透镜后表面的法向量场

进而根据数学方法由法向矢量场重构出第一表面；接下来，按照基于光程相等条件的式(2)更新第二表面，反复迭代更新直到满足停止条件；

所述入射光线由光源和中继面上的能量分布定义，具体为由两者能量分布之间的映射关系决定，入射波前W为与入射光束垂直的波面；

出射光线由中继面和目标面上的照度分布定义，具体为由两个照度分布之间的能量映射关系决定，而出射波前W’的形态取决于出射光束；

所述光束在中继面上的照度分布形式为紧密排布的高斯光斑阵列。

2.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：当光束沿z轴方向传播时，第一表面沿x或y轴方向的尺寸不大于第二表面沿x或y轴方向的尺寸。

3.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：中继面上的照度分布形式为紧密排列的高斯光斑阵列，该中继高斯光斑阵列的存在有效减弱或消除了由于激光光源相干特性产生的衍射效应对目标离散光斑阵列的影响；中继面上单个高斯光斑尺寸Y₀的定义以式(5)中的β为参考：

其中：r₀为与中继面上单个高斯光斑对应的输入光束在透镜第一表面处的照度区域的半宽度；Y₀为中继面上单个高斯光斑的半宽度；d为中继面与第一表面之间的距离；λ为光源波长；具体要求为，计算得到的中继面上每个高斯光斑对应的β均大于4，在满足系统设计要求的前提下，可选取尽量大的中继面高斯光斑尺寸，这样可以更好的消除系统的衍射效应。

4.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：在确定中继面上的照度分布之后，中继面应设置为尽量靠近第二表面或与之重合。

5.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：系统通过控制中继面和目标面上的照度分布实现对出射光束及出射波前的定义，且所设定的出射波前W’的位置应更靠近中继面。

6.如权利要求1所述的基于自由曲面透镜的激光分束器，其特征在于：目标面上的光斑与中继面上高斯光斑的数量相同，且目标面上单个光斑的尺寸小于中继面上单个高斯光斑的尺寸；所述目标面上的光斑排列方式与中继面高斯光斑排列方式对应；光斑阵列中单个光斑的能量为点分布、高斯分布、均匀分布、洛伦兹分布、狄拉克分布、贝塞尔光束分布、环状分布或者图案分布；目标光斑形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形。

7.如权利要求1或2或3或5或6任意一项所述的基于自由曲面透镜的激光分束器实现分束离散光斑阵列的方法，其特征在于：由光源发出的光束经过分束透镜第一表面后被整形成近似的高斯光束阵列光束，所述近似高斯光束阵列光束经由分束透镜第二表面后，波前和照度均被精确控制，在中继面的位置处被调整成预设的高斯光束阵列，经过一段距离传播后在目标面上形成了不易受衍射效应影响的分束光斑阵列；所述自由曲面激光分束器可以实现对光束波前和照度的同步精确调控，且装调方便。