一种基于充液型变焦透镜的扩束系统

本发明属于光学设计，尤其涉及一种基于充液型变焦透镜的扩束系统。

背景技术：

1、传统的扩束系统常由多组透镜和反射镜构成，机械结构较多，整体相对比较复杂，调整扩束倍数时较为繁琐，需要多个元件的轴向移动来实现。液体透镜的发展为解决上述不足提供了一些新的方案，液体透镜主要分为三种，一种是液晶变焦透镜，通过改变液晶分子的取向改变液晶材料的折射率，从而达到变焦效果；一种是基于电润湿效应的液体变焦透镜，通过对液体施加电压改变液体的表面张力的变化，从而改变透镜的双液面的曲率来实现变焦；一种是基于充液型的透镜，通过控制填充液体的量来操控薄膜的表面形状实现变焦。充液型变焦透镜相较于其他几种变焦方式响应速度较快，具有更稳定的光轴，可以实现连续变焦，造价更低。因此，亟需提出一种利用充液型透镜实现扩束倍数的连续调节系统。

技术实现思路

1、本发明旨在解决传统扩束镜涉及中存在的扩束倍数调整复杂，扩束倍数不可连续调节，响应时间长等技术问题，提供了一种基于充液型变焦透镜的扩束系统，用于提高光束扩束质量，提高可调倍数扩束镜在调节扩束倍数的响应速度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于充液型变焦透镜的扩束系统，包括：

3、前置透镜和后置透镜；

4、光束从所述前置透镜的正面入射，经过所述后置透镜进行扩束；

5、其中，所述前置透镜包括第一进液孔、第一填充液体、透明弹性薄膜、第一封装外壳以及第一进液泵；

6、所述后置透镜包括第二进液孔、第二填充液体、第二封装外壳以及第二进液泵；

7、所述第一填充液体和第二填充液体分别对应通过所述第一进液孔和第二进液孔与所述第一进液泵和第二进液泵连接形成水冷循环，进行降温；

8、所述第一进液泵和第二进液泵分别对应用于增加或减少前置透镜和后置透镜内第一填充液体和第二填充液体的量，进而改变透明弹性薄膜的曲率来控制所述前置透镜和后置透镜的中心曲率；当所述前置透镜和后置透镜的后焦距满足一定函数关系时，获得扩束系统，基于所述扩束系统实现光束扩束效果。

9、优选地，所述前置透镜和后置透镜均为充液型透镜。

10、优选地，所述前置透镜的尺寸小于所述后置透镜的尺寸。

11、优选地，所述前置透镜的口径≤10mm，所述后置透镜的尺寸≥50mm。

12、优选地，所述第一填充液体的折射率高于第二填充液体的折射率。

13、优选地，所述第一填充液体和第二填充液体均为无色透明、粘滞性低的液体。

14、优选地，所述第一封装外壳的尺寸小于所述第二封装外壳的尺寸。

15、优选地，所述改变透明弹性薄膜的曲率来控制所述前置透镜和后置透镜的中心曲率的过程包括：

16、将所述前置透镜和后置透镜对应充满所述第一填充液体和第二填充液体至所述透明弹性薄膜成为一个0曲率的平面，对应分别连接第一进液泵和第二进液泵；

17、对于所述前置透镜，注入透镜液体体积v与透镜液体厚度h的关系表达式为：

18、

19、优选地，所述前置透镜和后置透镜的后焦距满足一定函数关系，包括：

20、注入的前置透镜液体厚度h与前置透镜的前中心曲率r1、后中心曲率r2的函数关系为：

21、

22、其中，d1为前置透镜的半口径；

23、后置透镜的注液量v0、后置透镜的前中心曲率r3、后中心曲率r4与第二进液泵注液厚度h的函数关系为

24、

25、

26、其中，d2为后置透镜的半口径。

27、优选地，所述扩束系统的扩束倍数表达式为：

28、其中：

29、

30、

31、其中，d为前置透镜和后置透镜的沿直线光轴方向的边缘距离，n1为空气的折射率fb1为前置透镜的后焦距，fb2为后置透镜的后焦距，h1为前置透镜的边缘厚度，n2为前置透镜的折射率，h1为后置透镜的边缘厚度，n3为后置透镜的折射率，r1为光学系统第一面的曲率半径，r2为第二面的曲率半经，r3为第三面的曲率半经，r4为第四面的曲率半经，l'为前置透镜的像方主平面距离其第二面的距离，l为后置透镜的像方主平面距离其最后一个面的距离。

32、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

33、本发明相较于传统扩束镜，无机械结构，可在无机械元件轴向移动的同时实现扩束倍数的连续调节，减少了由于机械元件移动而引起的磨损，提高了扩束系统的准确度。

34、针对传统扩束系统不可调整扩束倍数上限，本发明的调整扩束倍数上限仅需将前置透镜内部的液体更换为更高折射率液体即可，操作简单，并且在高倍数仍可实现扩束倍数的连续可调。

35、本发明提高了扩束系统在调节扩束倍数时的响应速度，液体透镜变焦的响应速度高于传统机械变焦透镜，以液体透镜为主体的系统的调谐速度快于传统扩束系统的调节速度。

36、本发明对于高功率光束的扩束，充液型变焦透镜可以便捷简单的形成水冷循环，达到降温效果，延长扩束系统的使用寿命。

技术特征：

1.一种基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的基于充液型变焦透镜的扩束系统，其特征在于，

技术总结本发明公开了一种基于充液型变焦透镜的扩束系统，包括：前置透镜和后置透镜；光束从前置透镜的正面入射，经过后置透进行扩束；其中，前置透镜包括第一进液孔、第一填充液体、透明弹性薄膜、第一封装外壳以及第一进液泵；后置透镜包括第二进液孔、第二填充液体、第二封装外壳以及第二进液泵；当前置透镜和后置透镜的后焦距满足一定函数关系时，获得扩束系统，基于扩束系统实现光束扩束效果，相较于普通的扩束镜，本发明具有扩束倍数连续可调，无机械磨损的优点；对于大功率激光的扩束，充液型透镜组成的扩束系统更容易达成水冷循环而达到降温效果。技术研发人员：孙丽存,王丹阳,李志伟,曾瑞,岳青,邹孟晗受保护的技术使用者：云南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16