[发明专利]一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法

权利要求书

1.一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1) 采用光束质量分析仪对抽运激光进行测试，得到光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息，并基于Tracepro软件的Scheme宏语言和表面光源生成器功能，对激光光源进行模拟仿真；

(2) 基于Tracepro软件的优化引擎（Interctive optimizer）功能导入设计好的自由曲面透镜平面图，并利用优化引擎中的Toolbox功能，对设计的自由曲面添加分割点（segment point）并将其设置为优化变量，给定优化范围，同时基于软件中的Optimizer功能，以照度均匀分布为优化目标，同时设置透镜材料，对自由曲面透镜进行第一步优化设计；

(3) 对于第一步优化设计后均匀性大于80%的结果进行保存，导出自由曲面的离散点，并提取自由曲面的控制点，最后将提取的控制点拟合成二次B样条曲线的形式；

(4) 基于Tracepro软件Scheme宏语言，编写自由曲面透镜的结构、材料、尺寸的Scheme程序，将自由曲面的控制点设置为变量，并将步骤（3）提取的控制点的值作为变量的初始值，同时编写抽运光路所需的光束分光棱镜、波片、优化目标面的尺寸、偏振特性、间距的程序；

(5) 基于Tracepro软件中的优化引擎，同样以照度均匀分布为优化目标，在Optimizer中编写将自由曲面的控制点作为变量的After-scheme程序，以相同的优化变量自由曲面透镜各控制点，与Scheme宏语言程序建立起整个优化通道，实现自由曲面透镜的自动优化，对于均匀性低于90%对应的自由曲面部分，可减少优化变量，进行对应曲面的局部优化，最终实现对激光光束的均匀整形；

(6) 准直透镜选用的是平凸透镜，将其放置在步骤（4）的目标面位置处并删除该目标面，对于准直透镜的优化设计时，使用Tracepro软件中优化引擎After-scheme宏语言的功能，以准直透镜曲率半径为桥梁，建立优化通道，实现对准直透镜的优化设计，以保证均匀整形后的光线经过准直透镜可平行出射至碱金属气室；碱金属气室的位置处可在其上表面，中间和下表面各设置一个目标面，检测光束的准直性。

2.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（1）中，非直接选择高斯光束作为理想光源对后续系统进行设计，而是首先采用光束质量分析仪对光斑的尺寸、形状、中心位置、方位角和功率强度分布信息进行测试和采集；其次，基于Tracepro软件表面光源生成器功能，将采集到的数据进行输入，运行获得模拟的激光光源；然后，旋转激光光源，调整光斑尺寸、方位角，使其光斑与测试的光斑一致。

3.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（2）中，自由曲面透镜平面图的面型根据应用所需进行设计，然后借助Tracepro软件的优化引擎功能实现优化。

4.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（2）和步骤（5）中，为避免优化自由曲面出现阶跃的现象，优化变量的变化范围不超过0.1mm，并提取分割点（segment point）作为系统自动优化的初始数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（5）中，抽运激光系统对均匀性高于90%的光斑和能量的大小均有所需求，在设置优化目标时，需以至少6个不同位置处的光照度分布曲线和能量利用率同时作为优化目标值。

6.根据权利要求1所述的一种用于抽运激光系统光束整形的自由曲面透镜的优化设计方法，其特征在于：步骤（6）中，对准直镜的设计，选择平凸透镜，准直优化后，选择中间均匀性高于90%的光束极化原子，摒弃周边的光斑。