[发明专利]一种可变倍激光光束整形光学系统

说明书

本发明涉及光学设计和激光光束整形技术领域，尤其涉及一种可变倍激光光束整形光学系统，解决现有技术中存在的缺点，包括入射光源、依次沿光路设置的非球面透镜一、非球面透镜二以及非球面透镜三，所述非球面透镜一、非球面透镜二以及非球面透镜三为具有复杂光焦度分布的偶次非球面透镜，在系统变倍范围内任意倍率下，系统将不同位置入射光线传导至最后光学表面并出射，本发明所提出这种可变倍激光光束整形系统可以实现连续变倍的平顶光束输出，并具有良好的准直性，对激光光束的空间能量分布和相位分布实现了较为精确的调控。

技术领域

本发明涉及光学设计和激光光束整形技术领域，尤其涉及一种可变倍激光光束整形光学系统。

背景技术

激光由于其良好的方向性、单色性和高亮度而被广泛应用于军事、医疗、工业等领域。然而，激光光束的高斯分布和双曲型传播路径与许多应用场景无法完美适配，这使得激光的进一步广泛应用受到了限制。

激光光束整形是对于给定激光光束，将其空间能量分布和相位分布进行重新分布的过程，在光存储、激光打印、光刻、材料加工等领域都有着重要的应用。在多数应用场景中，激光光斑需要均匀分布在一个规定区域内。光束整形系统可以通过多种技术来实现，例如衍射光学元件、微透镜阵列、超构表面、透镜和反射镜等。其中，传统折反式光学表面具有自由度高、能量利用率高、成本便宜等优点。实现光束空间能量分布和相位的同时调控需要两个不受几何限制的光学表面，将入射光束转化为理想的出射光束。现有的传统折反式元件设计研究主要集中在双面光束整形器开发上，已经具有十分成熟的技术。但是双面的激光光束整形系统仅能将固定的入射光束转化为规定的出射光束，无法实现更加灵活的光束整形技术和应用。

诸多激光应用场景中需要激光光束经过光学系统形成一个可变的均匀光斑，达到上述目的需要更加复杂的光学系统，采用多个光学表面和光学元件相对位置的移动来实现可变倍的均匀出射光束。在激光光束整形系统研制中，多面设计和移动式光学组件设计的研究是远远不足的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种可变倍激光光束整形光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种可变倍激光光束整形光学系统，包括入射光源、依次沿光路设置的非球面透镜一、非球面透镜二以及非球面透镜三，所述非球面透镜一、非球面透镜二以及非球面透镜三为具有复杂光焦度分布的偶次非球面透镜，在系统变倍范围内任意倍率下，系统将不同位置入射光线传导至最后光学表面并出射，其出射光线位置满足以下关系：

①

式中：

R--出射光线位置；

R_max--出射光束最大尺寸；

r--入射光线位置；

r_max--出射光束最大尺寸；

r₀--入射光束光强1/e处位置；

该条件保证系统在不同倍率下，系统总能输出平顶分布的光束；

在系统变倍范围内任意倍率下，从光源不同位置入射光线传导至最后光学表面并出射到一目标平面上，光线走过的光程相等：

OPL＝const；

该条件保证在不同倍率下，系统总能输出准直的光束。

优选的，所述入射光源可以直接由激光器输出，也可以是激光经扩束镜输出的准直高斯分布光束。

优选的，通过改变非球面透镜一、非球面透镜二以及非球面透镜三之间的相对位置实现不同大小的准直光束输出。