一种用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜

摘要

本发明公开了一种用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜。它包括前表面平面、后表面自由曲面和侧面圆柱面，前表面平面与后表面自由曲面通过侧面圆柱面相连接，前表面平面垂直于激光光束传播方向，后表面自由曲面用于偏折激光光束；后表面自由曲面包括第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面、第四自由曲面和圆柱面，第一自由曲面、第二自由曲面、第三自由曲面与第四自由曲面通过圆柱面相连接，激光光束经第一自由曲面和第二自由曲面偏折，在目标面上的照明区域对应双偶极均匀照明中的内环，激光光束经第三自由曲面和第四自由曲面偏折，在目标面上的照明区域对应双偶极均匀照明中的外环；本发明结构紧凑、简单；整形效果好，能量利用率高。

主权项

1.一种用于双偶极均匀照明的自由曲面透镜，其特征在于包括前表面平面(S1)、后表面自由曲面(S2)和侧面圆柱面(S3)，前表面平面(S1)与后表面自由曲面(S2)通过侧面圆柱面(S3)相连接，前表面平面(S1)垂直于激光光束传播方向，后表面自由曲面(S2)用于偏折激光光束；后表面自由曲面(S2)包括第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)、第四自由曲面(S2.4)和圆柱面(S2.5)，第一自由曲面(S2.1)、第二自由曲面(S2.2)、第三自由曲面(S2.3)与第四自由曲面(S2.4)通过圆柱面(S2.5)相连接，当双偶极均匀照明关于坐标平面xOz对称时，自由曲面透镜关于坐标平面xOz对称；当双偶极均匀照明关于坐标平面yOz对称时，自由曲面透镜关于坐标平面yOz对称；激光光束经第一自由曲面(S2.1)和第二自由曲面(S2.2)偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双偶极均匀照明中的内环，激光光束经第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)偏折，激光光束在目标面上的照明区域对应双偶极均匀照明中的外环；其中，后表面自由曲面(S2)的面型由如下公式确定：第一自由曲面(S2.1)和第二自由曲面(S2.2)的面型确定公式为其中第三自由曲面(S2.3)和第四自由曲面(S2.4)的面型确定公式为其中$R_1=\sqrt{-\frac{{w_0}^2}{2}\ln \{1-\frac{[1-\exp (-\frac{{{2R}_{\max }}^2}{{w_0}^2})]({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)}{[({r_{\max 1}}^2-{r_{\min 1}}^2)+({r_{\max 2}}^2-{r_{\min 2}}^2)]}\}},$R_max为激光光束在前表面平面(S1)位置处截面的最大半径，r_max1和r_min1、r_max2和r_min2分别为目标面上双偶极均匀照明光斑的内环区域和外环区域的最大外径和最小内径，w₀为前表面平面(S1)上光斑强度为中心强度的1/e处的半径，θ_max和θ_min为目标面照明区域内位于第一象限的双偶极光斑的直线边界与x轴正向的夹角，(t_x，t_y，t_z)为目标面照明区域内点T的直角坐标，(θ，ρ)为后表面自由曲面(S2)上点P的球坐标，θ的取值范围为[0，π]，的取值范围为[0，π/2)，ρ_θ和分别为矢径ρ关于θ和的偏导数，n_I为自由曲面透镜的折射率，n_O为介质的折射率，且n_O＜n_I，π为圆周率。