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产生环形 的光学系统设计

陈宝华,吴泉英,唐运海,范君柳,陈晓翌,余浩墨,孙毅

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陈宝华, 吴泉英, 唐运海, 范君柳, 陈晓翌, 余浩墨, 孙毅. 产生环形 的光学系统设计[J]. , 2023, 16(6): 1365-1375. doi: 10.37188/CO.2023-0045
引用本文: 陈宝华, 吴泉英, 唐运海, 范君柳, 陈晓翌, 余浩墨, 孙毅. 产生环形 的光学系统设计[J]. , 2023, 16(6): 1365-1375.doi:10.37188/CO.2023-0045
CHEN Bao-hua, WU Quan-ying, TANG Yun-hai, FAN Jun-liu, CHEN Xiao-yi, YU Hao-mo, SUN Yi. Design of an optical system for generating ring-shaped laser beam[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1365-1375. doi: 10.37188/CO.2023-0045
Citation: CHEN Bao-hua, WU Quan-ying, TANG Yun-hai, FAN Jun-liu, CHEN Xiao-yi, YU Hao-mo, SUN Yi. Design of an optical system for generating ring-shaped laser beam[J].Chinese Optics, 2023, 16(6): 1365-1375.doi:10.37188/CO.2023-0045

产生环形 的光学系统设计

doi:10.37188/CO.2023-0045
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 62275187,No. 61875145,No. 11804243);江苏省十四五光学工程重点学科项目资助(No. 2021135);苏州市产业前瞻与关键核心技术项目资助(No. SYC2022145);苏州市重点实验室(No. SZS201202)
详细信息
    作者简介:

    陈宝华(1990—),男,江苏泰州人,实验师,2016年于苏州大学获得硕士学位,现为苏州科技大学物理实验中心实验师,主要从事光学仪器加工与检测方面研究。E-mail:chenbaohua@mail.usts.edu.cn

    吴泉英(1965—),女,江苏苏州人,教授,博士生导师,2006年于苏州大学获得博士学位,现为苏州科技大学物理科学与技术学院教授,主要从事光学仪器设计、加工与检测方面研究。E-mail:wqycyh@mail.usts.edu.cn

  • 中图分类号:O439

Design of an optical system for generating ring-shaped laser beam

Funds:Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 62275187, No. 61875145, No. 11804243); The Jiangsu Key Disciplines of the Fourteenth Five-Year Plan (No. 2021135); Suzhou Industrial Outlook and Key Core Technology Project (No. SYC2022145); Suzhou Key Laboratory (No. SZS201202)
More Information
  • 摘要:

    为了产生半径可自由调控的聚焦环形 且确保离焦后光束强度仍均匀,本文提出一种透射-反射式组合的环形光光学系统设计方法。对于透射式系统,基于等能量分割原理,建立入射光与出射光投射高度的映射函数,优化透镜的各项参数,将入射的高斯光先整形成平顶圆形光,实现光束强度均匀化。反射式系统通过调整焦面环形光直径调控范围、工作距离等参数,结合几何光线追迹原理,计算圆锥反射镜、抛物柱面镜及动镜的各项参数,将平顶圆形光再整形成环形光。实验结果表明:当动镜半顶角为16°时,所设计系统能够实现聚焦环形光半径在15~30 mm范围的自由调控,尺寸误差不超过0.05 mm,离焦后强度均匀度达到84%。该设计方法无需更换系统镜片即可兼顾强度均匀性和尺寸自由度,可操作性好,产生的环形光加工精度和效率更高。

  • 图 1透射-反射式组合的环形光光学系统

    Figure 1.Transmissive-reflective combined ring-shaped beam optical system

    图 2透射式平顶光束整形系统

    Figure 2.Transmissive flat-top beam shaping system

    图 3不同切趾因子的(a)高斯光强分布曲线及(b)投射高度关系曲线

    Figure 3.(a) Gaussian light intensity distribution curves and (b) projection height curve under different apodization factors

    图 4透射式平顶光束整形系统设计图及设计结果

    Figure 4.Transmission flat-topped beam shaping system and the results of the system

    图 5反射式聚焦环形光整形系统

    Figure 5.Reflective focusing ring-shaped laser beam system

    图 6半顶角θ与移动距离L和焦面补偿距离ΔZ之间的关系曲线图

    Figure 6.Relationship between the half vertex angleθ, and the distanceL, the focal compensation distance ΔZ

    图 7动镜是内圆锥时的反射式环形光系统及焊接应用

    Figure 7.The optical system and welding application when the moving mirror is an inner conical mirror

    图 8透射-反射式光学系统及焦面环形光尺寸参数

    Figure 8.Transmission-reflection optical system and ring-shaped laser beam size parameters of focal plane

    图 9平顶光整形前后的离焦光强分布图

    Figure 9.Defocused light intensity distribution maps before and after flat top beam shaping

    图 10镜片实物图

    Figure 10.Diagram of lens components

    图 11实验光路图

    Figure 11.Experimental laser beam path diagram

    图 12聚焦环形光半径调节示意图及实测与理论尺寸对比曲线

    Figure 12.Adjustment diagram of focused ring-shaped laser beam radius and comparison curve between theoretical and actual measurement values

    图 13环形光的离焦结果

    Figure 13.Defocusing results of ring-shaped laser beam

    图 14环形光系统中的平行平板玻璃透镜

    Figure 14.Parallel flat lens in the ring-shaped laser beam system

    表 1初始条件

    Table 1.Initial condition

    入瞳半径
    d/mm
    波长
    λ/nm
    D
    /mm
    S
    /mm
    工作距离
    /mm
    均匀度
    /%
    数值 12 632.8 30 15 150~170 >80%
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    表 2透镜参数

    Table 2.Lens parameters

    有效直径/mm 材料 厚度/mm 曲率半径/mm Conic A4 A6 A8 A10
    面型1 27 PMMA 15 5 −1.914 1.047×10−4 −3.943×10−7 1.167×10−9 −1.609×10−12
    面型2 36 PMMA 12 17.877 −0.959 −1.983×10−4 3.056×10−8 −4.444×10−11 7.283×10−14
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    表 3反射镜及面上特征点参数

    Table 3.Parameters of characteristic points on the mirror and surface

    α(°) Q F f/mm K θ(°) L/mm ΔZ/mm 材料
    数值 45 (18,−114.04) (−50,−22.04) 160 (70,−180.04) 16 27.2 4.5 7075-T6
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出版历程
  • 收稿日期:2023-03-20
  • 修回日期:2023-04-19
  • 网络出版日期:2023-07-12

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