[发明专利]一种抛物型旋转面阵列积分镜及其设计方法

说明书

本发明公开一种抛物型旋转面阵列积分镜及其设计方法。该积分镜的反射面由一系列凹抛物型旋转面和凸抛物型旋转面相间排列构成，各个旋转面之间保持曲率连续。每一个抛物型旋转面都把入射光反射到聚焦光斑处，形成大小和形状相同的光斑。光强分布不均匀的入射光被一系列抛物型旋转面分割反射叠加到聚焦光斑处，形成形状规则的、光强分布均匀的聚焦光斑。本发明提出的抛物型旋转面阵列积分镜能够使光强分布不均的入射光，转化成为边界锐利的光强均匀的聚焦光斑。本发明提出的抛物型旋转面阵列积分镜表面曲率没有突变，有利于单点金刚石车床加工，生产效率高。

技术领域

本发明涉及一种对激光光束进行整形的装置，特别涉及一种将平行激光光束聚焦变换成均匀光斑的光学元件。

背景技术

激光在材料改性、淬火和切割方面体现出来的优越性日益受到人们的关注。如果激光器输出光束的光强均匀性不高，会导致激光作用区域内材料处理程度不一致。积分镜(或称积分器)能将非均匀光强分布的激光束变换为均匀光强分布的光束。文献1(林勇,胡家升,吴克难.一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法[J].光学学报,2007,27(9):1682-1686.)中提出了一种衍射型光学积分器，但是大面积衍射积分器对加工技术要求很高，制备难度大。参考文献2(ZL01278581.4)公开了一种由多带反射曲面构成的聚焦成型积分镜，该文献中对反射带的面形特征和涉及方法均未涉及。参考文献3(ZL200520127504)公开了一种由三个反射镜组成的反射光学系统，用于获得大面积均匀方形光斑的激光均束装置。该装置所需镜片较多，需要复杂的装调装置，成本较高。参考文献4(王智勇，陈虹，左铁钏.一种大功率激光加工用带式积分镜的设计[J].北京工业大学学报(3):334-336.)公开了一种带式积分镜设计方法，其设计原理是在与球面或非球面(抛物面、椭圆面、双曲面等)反射聚焦镜的回转方向相垂直的方向上采用多带反射斜面代替曲面。该方法设计的反射面上各个反射斜面之间有曲率突变，加工困难。

发明内容

本发明的目的是克服以上不足，设计一种表面曲率连续的积分镜，该积分镜能够将照度分布不均匀的平行激光束转换成照度均匀的聚焦光斑。

本发明提出的抛物型旋转面阵列积分镜，图1所示，其特征在于：该积分镜的反射面由多个凹的抛物型旋转面和凸的抛物型旋转面交替相接构成。所有凹的抛物型旋转面和凸的抛物型旋转面在边界处相切。

上述凹的抛物型旋转面和凸的抛物型旋转面，所有抛物型旋转面的母线为抛物线的一部分。母线所在平面与积分镜聚焦光斑相交形成一系列焦面线段。上述抛物线的焦点位于母线两端点与上述焦面线段两端点连线的交点处。所有抛物型旋转面的回转轴位于该抛物型旋转面的边界上的母线与积分镜聚焦光斑边界上的焦面线段所在平面的交线处。

上述凹的抛物型旋转面，如图2所示，该凹抛物型旋转面的两个边界处的母线与积分镜聚焦光斑异侧边界上的焦面线段对应。两条母线分别与对应的焦面线段构成两个相交的平面。该凹的抛物型旋转面的回转轴位于上述两个相交平面的交线处。该凹的抛物型旋转面的回转轴位于该抛物型旋转面和积分镜聚焦光斑之间。

上述凹的抛物型旋转面，如图2所示，该凹抛物型旋转面的母线所在平面与积分镜聚焦光斑相交形成对应的焦面线段。上述母线所在抛物线的焦点位于该母线两端点与上述对应的焦面线段两端点异侧相连而成的连线的交点处。该焦点位于母线和焦面线段之间。

上述凸的抛物型旋转面，如图3所示，该凸抛物型旋转面的两个边界处的母线与积分镜聚焦光斑同侧边界上的焦面线段对应。两条母线分别与对应的焦面线段构成两个相交的平面。该凸的抛物型旋转面的回转轴位于上述两个相交平面的交线处。该凸的抛物型旋转面的回转轴位于该抛物型旋转面和焦光斑之同侧。

上述凸的抛物型旋转面，如图3所示，该凸抛物型旋转面的母线所在平面与积分镜聚焦光斑相交形成对应的焦面线段。上述母线所在抛物线的焦点位于该母线两端点与对应的焦面线段两端点同侧相连而成的连线的交点处。该焦点位于母线和焦面线段同侧。