[發(fā)明專利]一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111897127B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝劍;翟躍陽;韓邦成;唐照建;劉穎;黃梓嫄
• 申請（專利權(quán)）人: 之江實驗室
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

1.一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：具體步驟如下：

(1) 采用光束質(zhì)量分析儀對抽運激光進行測試，得到光斑的尺寸、形狀、中心位置、方位角和功率強度分布信息，并基于Tracepro軟件的Scheme宏語言和表面光源生成器功能，對激光光源進行模擬仿真；

(2) 基于Tracepro軟件的優(yōu)化引擎（Interctive optimizer）功能導(dǎo)入設(shè)計好的自由曲面透鏡平面圖，并利用優(yōu)化引擎中的Toolbox功能，對設(shè)計的自由曲面添加分割點（segment point）并將其設(shè)置為優(yōu)化變量，給定優(yōu)化范圍，同時基于軟件中的Optimizer功能，以照度均勻分布為優(yōu)化目標，同時設(shè)置透鏡材料，對自由曲面透鏡進行第一步優(yōu)化設(shè)計；

(3) 對于第一步優(yōu)化設(shè)計后均勻性大于80%的結(jié)果進行保存，導(dǎo)出自由曲面的離散點，并提取自由曲面的控制點，最后將提取的控制點擬合成二次B樣條曲線的形式；

(4) 基于Tracepro軟件Scheme宏語言，編寫自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸的Scheme程序，將自由曲面的控制點設(shè)置為變量，并將步驟（3）提取的控制點的值作為變量的初始值，同時編寫抽運光路所需的光束分光棱鏡、波片、優(yōu)化目標面的尺寸、偏振特性、間距的程序；

(5) 基于Tracepro軟件中的優(yōu)化引擎，同樣以照度均勻分布為優(yōu)化目標，在Optimizer中編寫將自由曲面的控制點作為變量的After-scheme程序，以相同的優(yōu)化變量自由曲面透鏡各控制點，與Scheme宏語言程序建立起整個優(yōu)化通道，實現(xiàn)自由曲面透鏡的自動優(yōu)化，對于均勻性低于90%對應(yīng)的自由曲面部分，可減少優(yōu)化變量，進行對應(yīng)曲面的局部優(yōu)化，最終實現(xiàn)對激光光束的均勻整形；

(6) 準直透鏡選用的是平凸透鏡，將其放置在步驟（4）的目標面位置處并刪除該目標面，對于準直透鏡的優(yōu)化設(shè)計時，使用Tracepro軟件中優(yōu)化引擎After-scheme宏語言的功能，以準直透鏡曲率半徑為橋梁，建立優(yōu)化通道，實現(xiàn)對準直透鏡的優(yōu)化設(shè)計，以保證均勻整形后的光線經(jīng)過準直透鏡可平行出射至堿金屬氣室；堿金屬氣室的位置處可在其上表面，中間和下表面各設(shè)置一個目標面，檢測光束的準直性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：步驟（1）中，非直接選擇高斯光束作為理想光源對后續(xù)系統(tǒng)進行設(shè)計，而是首先采用光束質(zhì)量分析儀對光斑的尺寸、形狀、中心位置、方位角和功率強度分布信息進行測試和采集；其次，基于Tracepro軟件表面光源生成器功能，將采集到的數(shù)據(jù)進行輸入，運行獲得模擬的激光光源；然后，旋轉(zhuǎn)激光光源，調(diào)整光斑尺寸、方位角，使其光斑與測試的光斑一致。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：步驟（2）中，自由曲面透鏡平面圖的面型根據(jù)應(yīng)用所需進行設(shè)計，然后借助Tracepro軟件的優(yōu)化引擎功能實現(xiàn)優(yōu)化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：步驟（2）和步驟（5）中，為避免優(yōu)化自由曲面出現(xiàn)階躍的現(xiàn)象，優(yōu)化變量的變化范圍不超過0.1mm，并提取分割點（segment point）作為系統(tǒng)自動優(yōu)化的初始數(shù)據(jù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：步驟（5）中，抽運激光系統(tǒng)對均勻性高于90%的光斑和能量的大小均有所需求，在設(shè)置優(yōu)化目標時，需以至少6個不同位置處的光照度分布曲線和能量利用率同時作為優(yōu)化目標值。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于抽運激光系統(tǒng)光束整形的自由曲面透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：步驟（6）中，對準直鏡的設(shè)計，選擇平凸透鏡，準直優(yōu)化后，選擇中間均勻性高于90%的光束極化原子，摒棄周邊的光斑。