一种准直平顶高斯光束变换器

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1.本技术属于光学器件领域，具体涉及高斯光束变换器。

背景技术：

2.随着激光应用的普及，在激光显示和照明、激光医疗、激光清洗、激光切割和焊接及科研等领域都要求对光束进行整形和匀化，即将中间能量高四周能量低的常规激光高斯光束转化为光强均匀分布的平顶光束。前比较常见的高斯光束转平顶光束的方式有扩束加光阑、非球面透镜组、复眼微透镜阵列、液晶空间光调制器、衍射光学元件、多边形匀化棒等。
3.第一种，通过扩束加光阑法，取高斯光束中心区域相对均匀的部分光束，用这种方法可以得到比较均匀的平顶光束，但是在使用光阑会导致很高的能量损失，并不是好的解决方案。
4.第二种，非球面透镜组整形法，基于几何光学原理，采用两个非球面透镜组成开普勒望远镜结构形式，通过相位调控，可以准直为平顶光束，理论上可以实现任意波前变换，但是该系统需要采用复杂的非球面结构，对加工和检测设备要求高，加工难度大；而且该方法只对单模激光光束效果较好，但实际上很多激光系统发出的光束为复杂的多模激光束，光场强度分布随时间变化具有不确定性，使得该方法具有很大的应用局限性。
5.第三种，复眼微透镜阵列整形法，该方法使用一片非球面准直透镜对光源进行准直，然后输入到微透镜阵列将输入光斑波面进行分割，在通过后续聚焦透镜将分割的光斑聚集叠加，从而得到匀化光场分布，光斑的形状和微透镜的形状相关。复眼微透镜阵列子镜数量越多，光束匀化效果越好。该方法使分割后的多个子光束聚集在特定平面，实现高斯光束匀化成平顶，但是该平顶光束无法保持原面形长距离传播。
6.第四种，液晶空间光调制器整形法，该方法利用计算机编程，控制输出面各像素点的光强分布实现可调控光束空间整形，但是液晶有限像素尺寸和像素之间的间隙会影响整形效果，使得应用场景受限。
7.目前的平顶高斯光束变换器对于光场分布复杂的光束难以实现较好的平顶变换效果和准直特性。

技术实现要素：

8.为解决背景技术中指出的技术问题，采取如下技术方案：
9.一种准直平顶高斯光束变换器，沿着光轴正方向依次设置为：扩束透镜组、多边形梯度折射率透镜阵列、非球面聚焦透镜、多边形梯度折射率光纤传像束、准直元件；扩束透镜组用于对入射光进行扩束准直，经扩束准直的光入射至多边形梯度折射率透镜阵列，从多边形梯度折射率透镜阵列中输出的光经过非球面聚焦透镜后被聚焦到非球面聚焦透镜的像方焦平面；多边形梯度折射率光纤传像束的一端面放置于非球面聚焦透镜的像方焦平面处，另一端放置于准直透镜的物方焦平面处。
10.上述装置的工作原理：将光束通过扩束透镜组进行扩束准直；采用紧密排列的多边形梯度折射率透镜阵列对光场分布复杂的光束进行波面分割，多边形梯度折射率透镜阵列中各梯度折射率透镜之间紧密排列无缝隙，不会发生菲涅尔衍射引起能量损失，被分割后的波面通过非球面聚焦透镜聚集，把各个梯度折射率透镜出射波面通过非球面聚集透镜输入到多边形梯度折射率光纤传像束，把非球面聚焦透镜聚集的平顶光束均匀分布到子光纤中进行传输，从子光纤中输出后通过准直透镜准直合束成平顶光束，实现长距离准直传输。
11.进一步的，多边形梯度折射率透镜阵列为由若干多边形梯度折射率透镜排布成横截面呈多边形的阵列结构。
12.进一步的，多边形梯度折射率光纤传像束为由若干截面边长为1-5微米的多边形梯度折射率光纤无间隙紧密堆积排布成横截面呈多边形的阵列结构。多边形梯度折射率光纤作为子光纤，通过阵列排布，形成具有传光功能的多边形梯度折射率光纤传像束。
13.优选的，所述的扩束透镜组由第一汇聚透镜和第二汇聚透镜组成，第一汇聚透镜的像方焦点与第二汇聚透镜的物方焦点重合。第一汇聚透镜将入射的激光束聚焦成球面波，通过共焦设置的第二汇聚透镜将球面波调整成平面波，从而实现对入射激光束的扩束及准直。
14.进一步的，第一汇聚透镜的像方焦点处设置有小孔滤波器。小孔滤波器用于滤除杂散光。
15.进一步的，所述多边形的边数为：2（n+1）条，其中n为自然数。例如当为四、六、八边形时，多边形梯度折射率透镜阵列中，每一个多边形梯度折射率透镜横截面上的折射率关于中心呈对称分布。
16.准直平顶光束变换器够把光源发出的非均匀复杂光场光束变换为平顶光束，提高了曝光区域内光能量分布均匀性，克服了传统高斯光束工作光斑中心亮边缘暗的缺陷。
附图说明
17.图1：准直平顶高斯光束变换器原理图；
18.图2：多边形梯度折射率透镜轴线光线传输轨迹与横截面折射率分布示意图；
19.图3：四边形梯度折射率纤维透镜阵列结构与横截面折射率分布示意图；
20.其中：1、扩束透镜组；2、多边形梯度折射率透镜阵列；3、非球面聚焦透镜；4、多边形梯度折射率光纤传像束；5、准直透镜。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将合附图对本技术做进一步地详细描述。以下，本技术术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。本技术所述的“若干”并不是具体限定特定几个，而应理解为根据设定目标选定的预设数量。
22.实施例一
23.如图1所示的一种准直平顶高斯光束变换器，沿着光轴正方向依次设置为：扩束透镜组1、多边形梯度折射率透镜阵列2、非球面聚焦透镜3、多边形梯度折射率光纤传像束4、
准直元件5；扩束透镜组用于对入射光进行扩束准直，经扩束准直的光入射至多边形梯度折射率透镜阵列，从多边形梯度折射率透镜阵列中输出的光经过非球面聚焦透镜后被聚焦到非球面聚焦透镜的像方焦平面；多边形梯度折射率光纤传像束的光输入端面放置于非球面聚焦透镜的像方焦平面处，光输出端面放置于准直透镜的物方焦平面处。
24.经扩束准直的光入射至多边形梯度折射率透镜阵列中时，多边形梯度折射率透镜阵列中各个梯度折射率透镜将被扩束准直的光分割为与梯度折射率透镜对应的子波面，各个子波面通过非球面聚焦透镜后被聚焦到非球面聚焦透镜的焦平面。
25.扩束准直的光通过此多边形梯度折射率透镜阵列后各个子波面经非球面聚焦透镜会聚作用被聚焦于像方焦平面，在像方焦平面处获得被匀化的光束；匀化后的光束均匀分布输入多边形梯度折射率光纤传像束，光束从多边形梯度折射率光纤传像束中各个子光纤中输出后通过准直元件后被准直合束成平顶光束。
26.多边形梯度折射率透镜阵列中各个多边形梯度折射率透镜的折射率自中心向边缘为梯度分布，如图2所示，不同入射角度的入射光线在多边形梯度折射率透镜中按照正弦规律往前传输，光线传输过程按照固定周期规律的重复，若周期记为p，当多边形梯度折射率透镜阵列长度l为0.25p时，以准直光从一端入射，则光线会自动聚焦于另一端面；如果多边形梯度折射率透镜长度选取半周期的整数倍，例如0.5p、1p、1.5p、2p，光线以平行光出射。可以利用多边形梯度折射率透镜阵列，将其长度设置为n*0.5p实现光准直或像传递等功能，n为自然数。
27.如图3所示为四边形梯度折射率透镜阵列与其横截面折射率分布示意图，从图中可以看出该阵列由10
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10根四边形梯度折射率透镜按照横截面为四边形的方式排布而成，其中每一根四边形梯度折射率透镜的折射率均呈现由中心自边缘逐步降低的梯度分布。
28.本方案的多边形梯度折射率透镜阵列横截面为多边形，可有效减小侧壁之间的缝隙，提高填充率。

技术特征：

1.一种准直平顶高斯光束变换器，其特征在于沿着光轴正方向依次设置为：扩束透镜组、多边形梯度折射率透镜阵列、非球面聚焦透镜、多边形梯度折射率光纤传像束、准直元件；扩束透镜组用于对入射光进行扩束准直，经扩束准直的光入射至多边形梯度折射率透镜阵列，从多边形梯度折射率透镜阵列中输出的光经过非球面聚焦透镜后被聚焦到非球面聚焦透镜的像方焦平面；多边形梯度折射率光纤传像束的一端面放置于非球面聚焦透镜的像方焦平面处，另一端放置于准直透镜的物方焦平面处。2.根据权利要求1所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：所述多边形梯度折射率透镜阵列为由若干多边形梯度折射率透镜排布成横截面呈多边形的阵列结构。3.根据权利要求1所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：所述多边形梯度折射率光纤传像束为由若干截面边长尺寸为1-5微米的多边形梯度折射率光纤无间隙紧密堆积排布成横截面呈多边形的阵列结构。4.根据权利要求1所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：所述的扩束透镜组由第一汇聚透镜和第二汇聚透镜组成，第一汇聚透镜的像方焦点与第二汇聚透镜的物方焦点重合，第一汇聚透镜将入射的激光束聚焦成球面波，通过共焦设置的第二汇聚透镜将球面波调整成平面波。5.根据权利要求4所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：第一汇聚透镜的像方焦点处设置有小孔滤波器。6.根据权利要求1所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：所述多边形的边数为：2（n+1）条，其中n为自然数。7.根据权利要求1所述的准直平顶高斯光束变换器，其特征在于：所述多边形梯度折射率透镜阵列长度为n*0.5p，其中n为自然数，p为光线在多边形梯度折射率透镜阵列中的传输周期。

技术总结

本申请属于光学器件领域，提出了一种准直平顶高斯光束变换器，包括：扩束透镜组、多边形梯度折射率透镜阵列、非球面聚焦透镜、多边形梯度折射率光纤传像束、准直元件；扩束透镜组用于对入射光进行扩束准直，经扩束准直的光入射至多边形梯度折射率透镜阵列，从多边形梯度折射率透镜阵列中输出的光经过非球面聚焦透镜后被聚焦到非球面聚焦透镜的像方焦平面；多边形梯度折射率光纤传像束的一端面放置于非球面聚焦透镜的像方焦平面处，另一端放置于准直透镜的物方焦平面处。本申请的准直平顶光束变换器够把光源发出的非均匀高斯光束变换为平顶光束，提高了曝光区域内光能量分布均匀性，克服了传统高斯光束工作光斑中心亮边缘暗的缺陷。的缺陷。的缺陷。