采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法技術方案

一種采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：①在變倍系統之前、之中或之后垂直于光束主光軸放置一組或者多組光楔對，每組光楔對的兩個光楔的斜面相對地共軸放置；②沿光楔對的光楔的斜面的傾斜方向相對移動兩個光楔，以補賞由于光束經過變倍系統引起的光束發散角和光束光斑尺寸的變化。本發明專利技術可實現光束發散角及光束光斑尺寸的精密控制，具有調整結構簡單，調整方便的特點。

【技術實現步驟摘要】
采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法
本專利技術涉及變倍系統，特別是一種采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法。
技術介紹
在激光應用中，變倍光學系統是一種常用的光學系統，通過變倍，不僅能夠改變激光光束直徑，實現光束光斑尺寸的匹配要求，而且可以改變發散角，有利于控制光束光斑尺寸、光束發散角和能量密度。對于一個變倍倍率為M倍的變倍系統，根據拉氏不變量（Lagrange）定理：J＝nDθ＝n′D'θ'其中：n和n'表示光學系統在介質中的折射率，當介質為空氣時，n=n′=1；D和D′表示光學系統的入瞳直徑和出瞳直徑；θ和θ′表示入射光的視場角和出射光的視場角，當視場角很小時，可以用弧度表示，由上式可見，當變倍倍率為M時，即若經過變倍系統擴束M倍后，出射激光束光斑直徑與擴束前相比擴大了M倍，同時擴束后的光束發散角與未被擴束的激光光束相比，發散角縮小了M倍。對于具有不同倍率的變倍光學系統，不同倍率的光束具有不同的發散角，常用的調整發散角的方法為在變倍系統中選擇一片或者一組透鏡作為調整鏡組，調整鏡組根據需要沿光軸方向前后進行移動，用來實現光束發散角的調整。這種調整方法具有一定的局限性，在沿光軸方向移動調整鏡組時，可能會引起光束傾斜或者離軸，從而改變光束的方向。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法，使激光光束經過變倍光學系統后光束發散角和光束的能量密度分布不變。為實現上述目的，本專利技術的技術解決方案如下：一種采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法，其特點在于，該方法包括下列步驟：①在變倍系統之前、之中或之后垂直于光束主光軸放置一組或者多組光楔對，每組光楔對的兩個光楔的斜面相對地共軸放置；②沿光楔對的光楔的斜面的傾斜方向相對移動兩個光楔，以補賞由于光束經過變倍系統引起的光束發散角和光束光斑尺寸的變化。所述的變倍系統為伽利略型、開普勒型、折反射式和反射式變倍光學系統。所述的光楔對的入射面和出射面是平面。所述的光楔對的入射面和出射面為曲面面型，包括二次曲面、三次曲面、有理函數曲面、開方函數曲面、指數函數曲面、對數函數曲面、冪函數曲面、周期函數曲面、或高斯函數曲面。本專利技術的調整發散角方法簡單：采用一組或者多組光楔對，通過相對移動兩個光楔來實現光束發散角及光束光斑尺寸的調整，調整方式簡單。附圖說明圖1是本專利技術采用光楔對調整掃描激光光束的方法的原理圖；圖2是本專利技術光束經分開的光楔對偏移原理圖；圖3是本專利技術光楔對放置在變倍系統之前的原理圖；圖4是本專利技術兩個光楔相對移動時原理圖一；圖5是本專利技術兩個光楔相對移動時原理圖二；圖6是本專利技術光楔對放置在變倍系統之中的原理圖；圖7是本專利技術實施例1光路圖；圖8是本專利技術實施例2光路圖；圖9是本專利技術實施例3光路圖；圖10是本專利技術實施例4光路圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明，但不應以此限制本專利技術的保護范圍。本專利技術的工作原理如下：將一組或多組光楔對置于變倍系統，如圖1所示在變倍系統之中放置光楔對，其中光楔對入射面和出射面為平面，光束經過光楔對使光束發生偏移，光束偏移使光束與光軸交點和變倍后組的焦點發生偏移，從而使變倍系統出射光束的發散角和光束光斑尺寸的變化。通過光楔對沿斜面傾斜方向相對移動，改變光楔對入射面到出射面的厚度，使光束偏移量發生變化，實現光束與光軸交點沿軸向的前后移動，從而補償所述的變倍系統引起的光束發散角及光束光斑尺寸的變化，實現光束發散角及光束光斑尺寸的精密控制。對于貼合放置的光楔對，即兩個光楔之間空氣厚度為0mm，如圖1所示光束經過一對光楔后光束發生偏移，沿光軸方向的偏移量ΔL為：垂直于光軸方向的偏移量Δh為：Δh=d(tanθ-tani)，其中sinθ=nsini。其中：d為光楔對入射面到出射面的厚度，n為光楔的材料折射率，θ為光束入射到光楔的入射角，i為折射角。根據透鏡成像原理，當光束經過光楔對有一軸向偏移量ΔL時，則后透鏡組物距為f-ΔL，則所以軸向偏移量引起發散角的變化為D為出射光束直徑。而隨著兩個光楔相對移動，使光楔對入射面到出射面之間厚度發生變化其中：d'為光楔對相對移動后入射面到出射面的厚度，r為光楔半徑，h為光楔沿斜面移動量，α為光楔楔角。隨著光楔對入射面到出射面的厚度的變化，光束與光軸的交點將沿軸向前后移動，從而補償所述的變倍系統引起的光束發散角及光束光斑尺寸的變化。對于分開放置的光楔對，即兩個光楔之間空氣厚度為tmm，如圖2所示光束經過光楔對后光束發生偏移，軸向偏移量為：其中：sinθ=nsini，L0為光楔的中心厚度，n為光楔折射率，θ為光線入射到光楔的入射角，i為折射角，h為光線入射到光楔時的初始高度，t為兩個光楔之間空氣的厚度，α為光楔楔角。同樣可根據軸向偏移量計算發散角的變化隨著光楔對的相對移動，使光楔對入射面到出射面的厚度發生變化，隨著光楔對入射面到出射面的厚度的變化，光束與光軸交點實現沿軸向的前后移動，從而實現光束發散角及光束光斑尺寸的調整。然而，對于分開放置的光楔對，由于中間有一空氣棱柱，所以光束經過光楔對后會有一側向偏移，即光束偏離光軸。因此，用光楔對進行調整光束發散角及光束光斑尺寸時，緊密貼合放置的光楔對無偏軸效應，但相對位移的問題是表面擦傷，具體應用應具體設計。在變倍系統之前放置光楔對，如圖2所示，若光楔對入射面和出射面均為平面，則光楔對組成平行平板，光線經過光楔對組成的平行平板時會發生偏移，垂直于光軸的偏移量為ΔD=ΔLtanθ，隨著光楔對相對移動，光楔對入射面到出射面的厚度發生變化，隨著所述厚度的變化，光束垂直于光軸的偏移量發生變化，即可實現光束光斑尺寸的調整。如圖3所示，光楔對的入射面和出射面為曲面，曲面為在YZ面上構造的一條圓弧沿一平行于X軸的直線滑動形成的曲面，而光楔斜面垂直于YZ面與X軸有一夾角，光線經過光楔對時,在Y軸方向會發生偏移且發散角會發生變化，在X軸方向光線發散角保持不變，根據圓弧的曲率半徑和光楔對的厚度即可計算類透鏡的焦距，然后可根據拉氏不變量（Lagrange）定理：J=nDθ=n′D′θ′確定光束經過光楔對時光斑尺寸大小和光束發散角。沿光楔斜面傾斜方向相對移動兩個光楔，通過改變光楔對入射面到出射面的厚度可控制類透鏡的焦距，從而實現經過光楔對后光束發散角及光束光斑尺寸的調整。在變倍系統前放置兩組光楔對即可實現在二維方向上的光束發散角及光束光斑尺寸的調整。當光楔對放置在變倍系統之后時，同樣的原理可以實現光束發散角及光束光斑尺寸的調整。且光楔對的入射面和出射面可以是平面，也可以是曲面，或者一個為平面一個為曲面。而曲面可以根據入射光束本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種采用光楔對調整變倍系統輸出光束的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：①在變倍系統之前、之中或之后垂直于光束主光軸放置一組或者多組光楔對，每組光楔對的兩個光楔的斜面相對地共軸放置；②沿光楔對的光楔的斜面的傾斜方向相對移動兩個光楔，以補賞由于光束經過變倍系統引起的光束發散角和光束光斑尺寸的變化。

【技術特征摘要】
1.一種采用多組光楔對調整變倍系統輸出光束的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：①在變倍系統之前、之中或之后垂直于光束主光軸放置多組光楔對，每組光楔對的兩個光楔的斜面相對地共軸放置；②沿光楔對的光楔的斜面的傾斜方向相對移動兩個光楔，以補償由于光束經過變倍系統引起的光束發散角和光束光斑尺寸的變化，而帶來的能量密度分布的變化，并可對徑向不同部分的光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李韋韋，陳力，陳偉，胡麗麗，
申請(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：