[发明专利]基于微透镜阵列的激光扩束匀光器

说明书

技术领域

本发明属于激光扩束领域，涉及一种基于微透镜阵列光学元件的光学系统，可用于激光扩束和激光投影。

背景技术

传统的激光扩束器件是以两个单透镜(聚焦镜)组成，前一个透镜将激光光束聚焦在其像方焦点上(也是后一透镜的物方焦点)，后一透镜把焦面上的光以平行光透射出去，扩束比与前后两个透镜的焦距比有关。这种反望远镜式的扩束系统，要取得大的扩束比，必须采用较大口径的透镜，而大口径的透镜，无论是加工还是装调，都很困难甚至不可能；而且系统质量和体积很大，需要较高的装调精度：更为严重的是，由于透射系统对高能激光有严重的鬼像效应，这使得反望远镜式的扩束系统不能用于大功率高能激光的扩束。

目前，这种反望远镜式的扩束系统主要有两种形式：伽利略望远镜式扩束镜和开普勒望远镜式扩束镜，除上述的共有缺点和不足外，还有着各自的缺点和不足。

伽利略望远镜式扩束镜包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，一般的尽可能的被设计为小的球面像差，低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。

开普勒望远镜式扩束镜由两块凸透镜组成，其主要缺点是有较大的像差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微透镜阵列光学元件的激光扩束系统，其可应用于激光扩束和激光投影，通过应用微透镜阵列取代单透镜设计扩束系统，改善扩束光学系统像差质量，简化系统结构，提高扩束比，降低了系统装调的精度要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于微透镜阵列光学元件的激光扩束系统，依次由位于同一直线上的第一级微透镜阵列、可变光阑和第二级微透镜阵列构成，三者的屏边平行，组成共轴系统。其中，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的微透镜元参数相同，微透镜元直径为p，微透镜阵列的后焦距为f；第一级微透镜阵列的直径为D₁，可变光阑的最大直径为D₂，第二级微透镜阵列的直径为D₃，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离为d，可变光阑距第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列的距离分别为f和d-f。

考虑到一般的激光器的出射光束的直径一般在5mm左右，本发明中第一级微透镜阵列的直径D₁＝10mm，第二级微透镜阵列的直径D₃＝60mm，第一级微透镜阵列和第二级微透镜阵列之间的距离d＝35mm，采用Thorlabs公司的MLAl50-7AR微透镜阵列的后焦距为f＝6.7mm，p＝150μm，可变光阑的最大直径D₂＝12.5mm，p、f、D₁、D₂、D₃、d满足下式：

dd-f=D3-D1D2-D1.]]>

本发明具有如下优点：

(1)采用微透镜阵列代替单透镜，利用微透镜阵列具有较高的衍射效率的特点，可用于大功率激光扩束匀光，提高入出射光功率比；

(2)采用两级微透镜阵列，进一步扩大了扩束比，提高了均匀度；

(3)两级微透镜阵列之间添加了可变光阑，可以调节出射光束的孔径；

(4)理论和实验表明，系统对两级微透镜阵列之间的距离d不敏感，即距离d的小量变化并不对扩束比和均匀度产生大的影响，提高了对为透镜阵列装调误差的容忍度；

(5)可用于大功率激光扩束匀光。

附图说明

图1为微透镜阵列；

图2为微透镜阵列扩束匀光示意图；

图3为两级微透镜阵列对激光光束扩束均匀化示意图；

图4为扩束匀光实验光屏上的匀光扩束投影；

图中：1-第一级微透镜阵列，2-第二级微透镜阵列，3-可变光阑。