[发明专利]一种离轴反射自由曲面激光整形系统

权利要求书

1.一种离轴反射自由曲面激光整形系统的设计方法，其特征在于，所述的离轴反射自由曲面激光整形系统包括两个自由曲面反射镜；其中，两个自由曲面反射镜之间是离轴关系，不能共轴；

具体的设计过程包括：主要包括：

(1)等能量网格划分激光光束和等面积划分照射目标面；

(2)基于划分网格点和初始条件，应用能量映射关系和等光程原理构建自由曲面反射镜；具体包括如下步骤：

①确定初始条件：

入射光束为矩形口径的准直光束，目标面形状为矩形，入射光束的截面为光束束腰所在位置，是预先给定的，目标面的大小和位置也是预先给定作为初始条件；根据入射光束截面和目标面上网格点可以全部计算出来作为初始条件，确定自由曲面反射镜P和M上的第一个点P₁₁(x′₁₁,y′₁₁,z′₁₁)和M₁₁(x″₁₁,y″₁₁,z″₁₁)这里称为初始点，P₁₁(x′₁₁,y′₁₁,z′₁₁)位于从S₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)点出射的光线上，M₁₁与T₁₁与在同一水平线上；

②计算每个自由曲面上的第一条曲线：

从入射光束截面S上初始点S₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)出射的光线经过反射镜P和M上初始点P₁₁和M₁₁反射后入射到目标面T上初始点T₁₁；光线S₁₁P₁₁经过P₁₁点反射后，出射光线为P₁₁M₁₁，这样可以得到入射光线S₁₁P₁₁和出射光线P₁₁M₁₁的光线矢量如式(1)；

Int＝(x′₁₁-x ₁₁)i+(y′₁₁-y ₁₁)j+(z′₁₁-z ₁₁)k

Out₁₁＝(x″₁₁-x′₁₁)i+(y″₁₁-y′₁₁)j+(z″₁₁-z′₁₁)k (1)

根据反射定律的矢量形式(2)，可以计算出通过反射镜P上的P₁₁点法向矢量N₁₁

利用相同的方法，根据入射在M₁₁光线P₁₁M₁₁和经过M₁₁反射后出射的光线P₁₁T₁₁可以计算出通过点M₁₁的法向矢量N′₁₁；

当计算出来过P₁₁点法向矢量N₁₁，可以求出过P₁₁点的切平面，根据这些已知条件来计算反射面P上第二点P₁₂；从光束截面上点S₁₂处出射光线与过P₁₁点处切平面相交，交点就是反射面P上第二点P₁₂；接下来再求过M面上的第二个点M₁₂；因为控制了出射光束为平面波前即出射光束垂直于目标面，而入射光束也为平面波前，所以从入射光束截面上出射光束到目标面上，光程是相等的，式(3)给出了第一条光线与第二条光线光程相等的条件，其中[]表示光程；

[S₁₁P₁₁]+[P₁₁M₁₁]+[M₁₁T₁₁]＝[S₁₂P₁₂]+[P₁₂M₁₂]+[M₁₂T₁₂] (3)

对第2条光线，当点P₁₂计算出来之后[S₁₂P₁₂]已经知道，因为出射光束为平面波所以M₁₂和T₁₂有相同的纵坐标这样根据式(3)就可以求出横坐标了；不断重复上述过程，可以求得自由曲面反射镜P上的第1条曲线，称为种子曲线，同样也可以求得反射镜M上的第1条曲线；

③计算整个自由曲面上所有采样点

在确定种子曲线1之后，返回初始点计算自由曲面上的下一条曲线，过P₁₁点处切平面与从点S₂₁发射出的光线r₂₁交点为曲线2上的第一点P₂₁；确定点P₂₁后根据等光程原理和准直出射条件可计算出反射面上点M₂₁，重复上述过程可计算出反射镜P和M上的第二条曲线；继续重复上述过程，可以从曲线2计算出曲线3上的采样点；这样扩展下去可以计算出反射面P和M上所有数据点。