鮑威爾棱鏡Zemax建模方法與激光光束整形的應(yīng)用

鮑威爾棱鏡Zemax建模方法與激光光束整形的應(yīng)用Zemax建模方法與激光光束整形的應(yīng)用1965年，F(xiàn)ridden發(fā)表了第一篇無損耗激光整形技術(shù)，利用幾何方法將單模高斯光束整形為均勻光束。近年來，線形激光光束整形的文獻(xiàn)日益增多。1986年，日本人Nakamura使用復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)反射面機(jī)構(gòu)使出射光束為線形分布。1989年，Powell設(shè)計(jì)了一個(gè)單透鏡，通過控制曲率半徑及錐形系數(shù)，可以將圓形的激光光束整形為均勻的線形光束。此后，Powell在1996年發(fā)表了可以將激光光束整形為D型光束的光學(xué)元件。1994年，F(xiàn)rady基于Powell的概念，設(shè)計(jì)了非對(duì)稱的單透鏡組件，可以將非圓形入射的激光光源整形為均勻線形光源，但制作復(fù)雜且不易對(duì)位。鮑威爾棱鏡是一種光學(xué)劃線棱鏡（非球面柱面鏡），可以使激光束通過后最優(yōu)化地劃成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的一條直線。鮑威爾棱鏡劃線優(yōu)于柱面透鏡的劃線模式，能消除高斯光束的中心熱點(diǎn)和褪色邊緣分布。當(dāng)約1mm的準(zhǔn)直激光光束打到鮑威爾棱鏡的棱上時(shí)，如果將棱鏡頂端部分放大可以看出，棱是圓弧狀的，光線入射后發(fā)生折射，折射角主要由兩個(gè)棱面所構(gòu)成的角度決定，最后經(jīng)過出射面時(shí)再發(fā)生一次折射，整個(gè)出射光線形成一道扇形光幕。鮑威爾棱鏡的特性之一，就是對(duì)入射光束的尺寸有嚴(yán)格要求，或大或小都會(huì)影響出射光線在目標(biāo)位置的均勻性，而且一般要求入射光束的尺寸都比較小，正好適用于激光光束的特征；同時(shí)軸心的對(duì)準(zhǔn)度也有影響，所以使用起來不太方便。厚度H雖然不會(huì)影響出射光線的角度，但也會(huì)影響目標(biāo)位置的均勻性。因此，鮑威爾棱鏡的產(chǎn)品指標(biāo)都會(huì)指明入射光束尺寸的要求，標(biāo)注直徑和厚度等參數(shù)。一般的曲面面型可以由式（25.1）描述，其中c為曲率（半徑所對(duì)應(yīng)的），r是以透鏡長(zhǎng)度單位為單位的徑向坐標(biāo)，k為圓錐系數(shù)。圓錐系數(shù)對(duì)于雙曲線小于-1，對(duì)于拋物線為-1，對(duì)于橢圓為-1到1之間，對(duì)于球面為1。當(dāng)曲面的曲率半徑和圓錐系數(shù)不同時(shí)，頂端局部面型曲線形狀不同。文章中存在大量的格式錯(cuò)誤和無意義的數(shù)字和符號(hào)，需要進(jìn)行修改和刪除。以下是修改后的文章：鮑威爾棱鏡在激光光束整形中具有重要作用。普通的球面柱面鏡用于激光光束整形時(shí)，光斑仍然近似為高斯分布，而使用鮑威爾棱鏡整形可以使光束的分布更加均勻。當(dāng)入射光接觸到鮑威爾棱鏡的第一面后會(huì)在透鏡內(nèi)快速聚焦，造成光束發(fā)散的發(fā)散角非常大，造成在像平面會(huì)有線形的效果。第一面只有在一個(gè)方向具有非球面曲率，而在此方向上的出射光束直徑就會(huì)等于在像平面的有效寬度。此外，鮑威爾提出了其他形狀的鮑威爾透鏡，見表25-1。表中的發(fā)散角表示入射光經(jīng)過不同曲率半徑及錐形系數(shù)的鮑威爾透鏡后，出射光束在線形方向上的光束發(fā)散程度。發(fā)散角越大，在越近的工作距離內(nèi)可得到越長(zhǎng)的線形有效長(zhǎng)度。除了在第一面有不同的曲率及錐形系數(shù)之外，在第二面也可作成有曲率。就功能而言，第一面的目的是使光束在像平面具有好的均勻性，而第二面的作用是增加光束的發(fā)散角。不過通常市場(chǎng)上現(xiàn)有的成品鮑威爾棱鏡第二面都是平面，比如Thorlabs在售的“線形激光發(fā)生透鏡（LaserLineGeneratorLenses）”。這些透鏡的輸出扇形角度為30°、45°、60°或75°。它們需要使用633nm波長(zhǎng)、直徑0.8mm(1/e2)的輸入光束。這些線形激光發(fā)生透鏡由N-BK7或N-SF6玻璃基底制造，在網(wǎng)站上還可以下載棱鏡。圖25-2展示了鮑威爾棱鏡頂端局部曲面形狀，圖25-3比較了鮑威爾棱鏡與球面柱面鏡，圖25-4展示了鮑威爾棱鏡光線整形原理，圖25-5展示了鮑威爾棱鏡組合光束整形，圖25-6比較了鮑威爾棱鏡與普通球面鏡的光束整形。本文介紹了如何在Zemax軟件中實(shí)現(xiàn)鮑威爾棱鏡的仿真。在序列模式下，只需將表面類型設(shè)為柱面Toroidal，曲率半徑設(shè)為0.4，圓錐系數(shù)設(shè)為-1.6即可。然而，在序列模式下不便于觀察光線的均勻性。因此，需要在非序列模式下進(jìn)行仿真，以觀察一字線光斑的形狀和均勻性。具體方法是在NSC組件數(shù)據(jù)編輯器中輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行單個(gè)鮑威爾棱鏡的一字線光束整形仿真。通過圖25-10和圖25-11可以看到，光線在Y-Z平面和X-Z平面上的分布情況。圖25-12和圖25-13分別展示了入射高斯光源的強(qiáng)度分布和一字線光斑的強(qiáng)度分布。鮑威爾棱鏡可以將基模高斯光束變換為一字線形光斑，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了非序列組件的構(gòu)成和參數(shù)設(shè)置。其中，半導(dǎo)體光源的高斯寬度和發(fā)散角設(shè)為0.2，探測(cè)器分別放置在光源與棱鏡之間和棱鏡之后，鮑威爾棱鏡采用ToroidalLens表示，材料為BK7，徑向高度為5，X方向的半寬度為-5，厚度為8，第一面的曲率半徑為0.2，圓錐系數(shù)為-2.6。3D光路結(jié)構(gòu)圖展示了光線經(jīng)過鮑威爾棱鏡后的發(fā)散情況，入射光源的強(qiáng)度分布和整形后的光線強(qiáng)度分布也在圖中呈現(xiàn)。入射光源為高斯分布的圓形光斑，經(jīng)過鮑威爾棱鏡整形后成為了一條分布較為均勻的一字線光斑。為了將高斯光源整形為方形均勻光斑，可以使用兩個(gè)正交的鮑威爾棱鏡。在原有光路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)鮑威爾棱鏡，其參數(shù)與前一個(gè)棱鏡大體一致，只是圓錐系數(shù)略有差別，為-2.0。兩個(gè)棱鏡緊貼放置，新增加的一個(gè)棱鏡需要旋轉(zhuǎn)90度。圖中展示了鮑威爾棱鏡方形光斑光束整形的3D光路結(jié)構(gòu)圖和強(qiáng)度分布。本文介紹了雙鮑威爾棱鏡光束整形的3D光路結(jié)構(gòu)圖及其分析結(jié)果，其中最后一個(gè)探測(cè)器上的光斑強(qiáng)度分布圖顯示出光斑的均勻性還算比較好，但光斑形狀有些畸變，這與棱鏡的尺寸和兩個(gè)棱鏡之間的距離有關(guān)。為了壓縮光束的發(fā)散角同時(shí)保持光斑形狀和均勻性，可以采用雙柱面鏡準(zhǔn)直。準(zhǔn)直之后的結(jié)構(gòu)和分析結(jié)果顯示，兩個(gè)柱面鏡的曲率半徑根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，通常會(huì)不一樣。但是，