鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用.docx
《鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用
鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用
在激光整型技术方面，1965年，Fridden发表了第一篇无损耗激光整型技术，其利用几何的方法将单模的高斯光束整型为均匀光束。
近年來，线形激光光束整型的文献日益增多。
1986年，日本人Nakamura使用复杂的旋转反射面机构使出射光束为线形分布。
1989年，Powell设计了一个单透镜，藉由控制曲率半径及锥形系数（Conicconstant），可以使圆形的激光光束整形为均匀的线形光束。
此后，Powell在1996年发表了可以将激光光束整形为D型光束的光学元件。
1994年，Frady由Powell的概念，发觉Powell透镜难以使用在固态激光上，设计了非对称的单透镜组件，在两垂直轴的曲率半径及锥形系数不相同，此组件可用在非圆形入射的激光光源，将光源整形为均匀线形光源，但缺点为在不易对位（Alignment）且制作复杂。
鲍威尔棱镜（PowellLenses）是一种光学划线棱镜（非球面柱面镜），它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。
鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。
当约1mm的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时，如果将棱镜顶端部分放大可以看出，棱是圆弧状的，光线入射后发生折射，折射角主要由两个棱面所构成的角度决定，最后经过出射面时再发生一次折射，整个出射光线形成一道扇形光幕。
鲍威尔棱镜的特性之一，就是对入射光束的尺寸有严格要求，或大或小都会影响出射光线在目标位置的均匀性，而且一般要求入射光束的尺寸都比较小，正好适用于激光光束的特征；同时轴心的对准度也有影响，所以用起来会很不方便。
厚度H虽然不会影响出射光线的角度，但也会影响目标位置的均匀性。
因此，鲍威尔棱镜的产品指标都会指明入射光束尺寸的要求，标注直径和厚度等参数，如图25-1所示。
对于一般的曲面面型，可以由式（25.1）描述，其中c为曲率（半径所对应的），r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数。
圆锥系数对于双曲线小于–1，对于抛物线为–1，对于椭圆为–1到0之间，对于球面为0。
如图25-2所示，当曲面的曲率半径和圆锥系数不同时，顶端局部面型曲线形状不同。
（25.1）
图25-1鲍威尔棱镜参数指标示意
图25-2鲍威尔棱镜顶端局部曲面形状
图25-3鲍威尔棱镜与球面柱面镜的比较
图25-4鲍威尔棱镜光线整形原理示意图
图25-5鲍威尔棱镜组合光束整形示意图
图25-6鲍威尔棱镜与普通球面镜的光束整形比较
普通的球面柱面镜，用于激光光束整形时，光斑仍然近似为高斯分布，而用鲍威尔棱镜整形则可以使光束的分布更加均匀。
当入射光接触到鲍威尔棱镜的第一面后会在透镜内快速的聚焦，造成光束发散的发散角非常大，造成在像平面会有线形的效果；而由于第一面只有在一个方向具有非球面曲率，而在此方向上的出射光束直径，就会等于在像平面的有效宽度。
此外，鲍威尔亦提出其它形状的鲍威尔透镜，见表25-1，表中的发散角表示入射光经过不同曲率半径及锥形系数的鲍威尔透镜后，出射光束在线形方向上的光束发散程度，发散角越大，在越近的工作距离内可得到越长的线形有效长度。
表25-1鲍威尔棱镜的特性参数
发散角度
第一面曲率半径
第一面圆锥系数
材料
15°
0.8
-10
BK7
30°
0.4
-3.2
BK7
60°
0.2
-1.6
BK7
90°
0.12
-1.2
BK7
除了在第一面有不同的曲率及锥形系数之外，在第二面也可作成有曲率，就功能而言，第一面的目的就在于使光束在像平面会具有好的均匀性，而第二面的作用就是在增加光束的发散角，不过通常市场上现有的成品鲍威尔棱镜第二面都是平面，比如Thorlabs在售的“线形激光发生透镜（LaserLineGeneratorLenses）”。
这些透镜的输出扇形角度为30°、45°、60°或75°。
它们需使用633nm波长、直径0.8mm（1/e2）的输入光束。
这些线形激光发生透镜由N-BK7或N-SF6玻璃基底制造，在网站上还可以下载棱镜的模型step等格式文件，可以作为非序列元件导入仿真，但并未列出表面曲率与圆锥系数等参数。
在Zemax软件中实现鲍威尔棱镜的仿真很简单，因为透镜表面形状参数中已经包含圆锥系数Conic这个参数，只不过在通常球面透镜中，圆锥系数Conic都默认为0。
如图25-7所示，在序列模式中的，只要将Surf2的表面类型设为柱面Toroidal，并将曲率半径设为0.4，圆锥系数Conic设为-1.6即可。
3D光路结构图如图25-8所示，可以检查光线的发散角度，可以对参数进行优化。
不过，在序列模式下，不方便观察目标位置的光线（线条）的均匀性。
图25-7鲍威尔棱镜LDE透镜数据列表
图25-8鲍威尔棱镜3D光路结构图
鲍威尔棱镜的主要应用之一，就是将基模高斯光束变换为一字线形光斑。
为了观察一字线的光斑形状和均匀性，需要在非序列模式下仿真。
先进行单个鲍威尔棱镜的一字线光束整形仿真，如图25-9所示在非序列模式中输入NSC组件数据编辑器。
图25-9鲍威尔棱镜NSC组件数据列表（参数较多分段显示）
图25-10鲍威尔棱镜一字线光束整形3D光路结构图（Y-Z平面）
图25-11鲍威尔棱镜一字线光束整形3D光路结构图（X-Z平面）
图25-12入射高斯光源强度分布
图25-13鲍威尔棱镜一字线光束整形强度分布
非序列组件包括一个半导体光源SourceDiode、一个鲍威尔棱镜、两个探测器和一个半导体光源的物体模型。
半导体光源SourceDiode的参数设置的意义可以参考前面的章节内容，这里只是示意，其中主要参数光源的高斯宽度X-Sigma（Y-Sigma）设为0.2，发散角X-Divergence（Y-Divergence）设为0.2；探测器一个放在半导体光源与棱镜之间，显示入射光源的强度分布，另一个放在棱镜之后，显示整形后的光源强度分布；鲍威尔棱镜是用一个柱面镜组件ToroidalLens表示，材料Material为BK7，径向高度（即Y方向半高度）RadialHeight设为5，X方向的半宽度XHalf-Width设为-5（负值表示外形为圆柱，正值则为方形），厚度Thickness设为8，第一面的曲率半径Radius1设为0.2，圆锥系数Conic1设为-2.6，棱镜与半导体光源的位置合适即可，其他参数默认；半导体光源的物体模型可以从网上（很多）下载一个，用step格式模型导入。
3D光路结构图如图25-10和25-11所示，光线经过鲍威尔棱镜之后只在Y方向快速发散，而X方向保持不变。
入射光源的强度分布如图25-12所示，整形之后的光线强度分布如图25-13所示。
入射光源为高斯分布的圆形光斑，经过一个鲍威尔棱镜整形之后，成为了一条分布较为均匀的一字线光斑。
单个鲍威尔棱镜可将高斯光源整形为一字线形状的光束，自然而然地就会想到用两个正交的鲍威尔棱镜将高斯光源整形为方形均匀光斑。
于是，继续在原来的光路中增加一个鲍威尔棱镜，如图25-14所示，输入NSC组件数据编辑器。
增加的一个鲍威尔棱镜，大体参数与前面一个棱镜的参数一致，只是圆锥系数略有差别，新增加的棱镜的圆锥系数为-2.0，两个棱镜紧贴放置。
因为要正交放置两个棱镜，所以新增加的一个棱镜需要旋转90度。
图25-14鲍威尔棱镜NSC组件数据列表（参数较多分段显示）
图25-15鲍威尔棱镜方形光斑光束整形3D光路结构图（Y-Z平面）
图25-16鲍威尔棱镜方形光斑光束整形3D光路结构图（Y-Z平面）
图25-17鲍威尔棱镜方形光斑光束整形强度分布
双鲍威尔棱镜光束整形的3D光路结构图如图25-15和25-16所示。
再打开探测器查看窗口，重新追迹所有探测器分析光线，在最后一个探测器上的光斑强度分布图如图25-17所示。
就结果来看，光斑的均匀性还算比较好，只不过光斑形状有些畸变，形状的畸变情况不仅与棱镜的尺寸有关，还与两个棱镜之间的距离有关。
当然，棱镜的厚度决定了两个棱镜之间的最小距离，第一个棱镜的厚度越小，畸变也就相对小一些。
光斑均匀性与顶端的曲率半径和圆锥系数都有关系，需要调整优化各个参数。
但这只是发散光束在某一段距离范围内能保持一定的形状和均匀性，超出这个范围，差异就会变大；而且经过球面准直透镜准直之后，光斑形状和均匀性也会发生变化。
要想压缩光束的发散角而同时要基本保持光斑形状和均匀性，可以采用双柱面镜准直。
准直之后的结构和分析结果如图25-18至25-21所示。
为了保证均匀性，不要求将光束准直得很好，发散角压缩到一定程度就可以了；两个柱面镜的曲率半径根据实际情况调整，通常会不一样，因为镜片厚度限制了柱面镜的相对空间位置。
图25-18鲍威尔棱镜方形光斑光束整形3D光路结构图（Y-Z平面）
图25-19鲍威尔棱镜方形光斑光束整形3D光路结构图（X-Z平面）
图25-20鲍威尔棱镜方形光斑光束整形强度分布（准直后）
图25-21准直柱面镜镜NSC组件数据列表（参数较多分段显示）
顺便提一下，双柱面镜光束整形有时候并不好用，因为装配时存在难以将柱面镜正交放置的问题，一旦偏差一点就有可能使得整形结果变得很差，设计时需要仔细考虑一下。
同时，也很容易想到，用圆锥棱镜可以直接将入射高斯光束整形为均匀分布的圆形光斑。
举个例子，各NSC组件如图25-22所示。
一个圆锥棱镜和一个普通球面镜的组合，可以将入射的高斯光束整形（准直后）为均匀分布的圆形光斑，结果如图25-23至25-25所示。
图25-22高斯光束匀化圆形光斑NSC组件数据列表（参数较多分段显示）
图25-23圆锥棱镜圆形形光斑光束整形3D光路结构图（Y-Z平面）
图25-24入射高斯光束光强分布
图25-25圆锥棱镜圆形形光斑光束整形强度分布（准直后）
升级会员 