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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(Conic constant)，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（Powell Lenses）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。

z?cr21?1??1?k?cr22 （25.1）

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图25-1 鲍威尔棱镜参数指标示意

11.51110.5109.598.587.576.565.554.543.532.521.510.50-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10123456789c*X^2/(1+sqrt(1-(1+k)*c^2*X^c*X^2/(1+sqrt(1-(1+k)*c^2*X^c*X^2/(1+sqrt(1-(1+k)*c^2*X^c*X^2/(1+sqrt(1-(1+k)*c^2*X^c*X^2/(1+sqrt(1-(1+k)*c^2*X^ 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

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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

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