[发明专利]一种基于自由曲面透镜的激光分束器

说明书

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光分束器，属于激光光束整形领域。该分束器由两个作用表面S₁和S₂组成，且两个作用表面均为自由曲面，可实现对光束照度和波前的同步控制，光源发出的光束经过该分束器后在目标面上形成离散的光斑阵列。入射波前W由光源定义，该分束器对出射波前W’的控制通过定义中继面和目标面的照度分布来实现，中继面上的照度分布形式为紧密排列的高斯光斑阵列。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。该分束器由单个透镜组成，易于加工和装调，还可有效减弱衍射效应对分束结果的影响。

技术领域

本发明涉及一种基于自由曲面透镜的激光分束器，属于激光光束整形领域。

背景技术

激光分束器在激光并行加工如激光切割和激光打孔、激光测量和检测、激光扫描，激光投影，结构光照明及光通信等方面应用广泛。

常用的衍射光学元件DOE通过将能量注入指定衍射阶次实现光束分离，具有体积小重量轻等优势，但其对波长的依赖性很强，且高衍射效率和低加工难度难以兼顾。基于光学自由曲面对光线的灵活精准调控，人们开始寻求几何光学分束方案。

其中，Jarczynski M等在文章“Jarczynski M,Mitra T,Ivaneko M,etal.Monolithic optical components for splitting of high-power beams[C].LaserBeam Shaping XIII:volume 8490.SPIE,2012:200–209”中提出了一种由非球面和柱状自由曲面阵列组成的透镜，通过控制光束的照度分布将入射光束分为1×17个等能量的子光束，进而在目标面上形成具有相似强度分布的衍射极限点，得到的柱状自由曲面阵列的相邻子曲面之间具有一定的台阶高度，给透镜制造带来较大困难。

而Maksimovic M在文章“Maksimovic M.Design and optimization of compactfreeform lens array for laser beam splitting:a case study in optimal surfacerepresentation[C].Optical Modelling and Design III:volume 9131.SPIE,2014:38–49”中提出了基于优化设计方法的可对光束进行准直和分束的自由曲面透镜阵列，其由独立的三个子曲面组成，用以将光束一分为三，此透镜同样具有不连续的单自由曲面表面。文中尝试采用局部滤波的方法对透镜表面的不连续处进行平滑，但得到的透镜已不具有良好的分束效果。

专利CN101936504A中提出的可实现光刻多极照明的自由曲面微透镜阵列，可以在目标面上形成均匀照明的两个或四个离散光斑，其必须将微透镜按一定规则排列才可以保证部分照明模式下透镜阵列表面的整体连续性。

在上述几何分束透镜设计中，使用单个自由曲面为主要的分束表面，自由度较少，目标面上离散的照度分布直接导致了自由曲面分束透镜表面的不连续性，给透镜加工带来较大的困难，也增加了透镜的易损性。因此，在精确地实现分束功能的同时，设计具有易加工表面的分束透镜是亟待解决的问题。由于激光光束自身的相干性带来的衍射效应将给分束结果产生影响，设计不易受衍射效应影响的分束系统是有意义的事情。此外，相较于双透镜系统，使用单个透镜降低了系统的装调难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了解决现有几何光学分束技术存在的由于激光带来的衍射效应使得分束效果偏离预期设计，以及形成离散照度分布时透镜表面不连续导致的对透镜加工技术要求高，不利于工业化的问题，提供了一种基于自由曲面透镜的激光分束器，通过同步调控光束的照度和波前来实现高精度分束，该单透镜系统有利于装调。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：