1.一种用于激光光束整形的自由曲面构建方法,其特征在于,包括:(1)将准直激光光束在束腰截面上进行等能量划分,将目标平面进行等面积划分,根据边缘光线理论和能量映射关系构建准直激光光束和目标平面之间的对应关系;
(2)在自由曲面反射镜上定义一个初始点P1,1,根据折射定律,沿纵向方向计算下一个数据采样点P2,1位置;
(3)根据步骤2获取纵向曲线数据采样点Pi+1,1的递推表达式和在横向方向数据采样点P1,j+1的递推表达式;
(4)根据步骤3中两个表达式得到构建自由曲面双向初始曲线数据采样点的位置,进行动态迭代计算出P2,j+1点;
(5)根据步骤4计算数据采样点Pi,j+1位置,获得组成自由曲面所有数据采样点;
(6)将步骤5中所有自由曲面数据采样点进行拟合建模,构建自由曲面。
2.根据权利要求1所述的自由曲面构建方法,其特征在于,所述步骤1划分过程为:采用矩形孔径的准直光束,在光束束腰截面上等能量划分为N×M份,将目标平面等面积划分为N×M份;
高斯分布的准直激光光束辐射照度表达式为:式中r为距离光轴中心点的距离,w0为激光的束腰宽度,准直激光光束在直角坐标系X、Y两个方向上的发光强度均呈高斯分布,对激光光束能量计算时进行变量分离,入准直激光光束的总能量A为:
光束在X轴方向上的单位能量A(x)为:其中i=1,2,.......,N+1;
光束在Y轴方向上的单位能量A(y)为:其中j=1,2,.......,M+1;
其中i表示光源入射横向截面能量划分的网格格点,j表示光源入射纵向截面能量划分的网格格点,xs,i表示光源能量网格格点横坐标,ys,j表示光源能量网格格点纵坐标,I(xs)表示截面上发光强度分布;
联立X轴单位能量方程和激光光束总能量方程,解方程组得光源能量网格格点的横坐标xs,i;
联立Y轴单位能量方程和激光光束总能量方程求解可得光源能量网格格点的纵坐标ys,j;
设目标平面为矩形平面T,在x轴和y轴方向上的边长为a和b,矩形平面上的网格格点Ti,j(xi,yj)坐标表达式为:
3.根据权利要求2所述的自由曲面构建方法,其特征在于,所述步骤2计算P2,1点的计算过程为:
准直激光光束在束腰截面上的初始点S1,1发射出的光线经过自由曲面反射镜上的初始点P1,1反射后入射到目标平面上的初始点T1,1,光线经过自由曲面反射镜上点反射后,出射光线为P1,1T1,1,根据折射定律:式中n1、n2为材料折射率,In为过相应入射点的入射光线,Out为过相应出射点的出射光线,可得P1,1点上的法向矢量为:通过P1,1点上的法向矢量求出过P1,1点的切平面方程;点S2,1的出射光线与过P1,1点的切平面相交,交点即为P2,1,则有计算出P2,1位置表达式为:
4.根据权利要求3所述的自由曲面构建方法,其特征在于,所述步骤3点Pi+1,1表达式计算过程与获得点P2,1方法相同,可得纵向曲线数据采样点的递推表达式为:横向曲线数据采样点的递推表达式为:
5.根据权利要求4所述的自由曲面构建方法,其特征在于,所述步骤4点P2,j+1计算过程为:
坐标点P2,j+1由点P2,j和点P1,j+1共同决定,先由P2,j点求出法向矢量N2,j,P'2,j+1点出射的光线与过点P2,j切平面相交,交点即为P'2,j+1,则有:所以点P'2,j+1表示为:
通过P1,j+1点求出法向矢量N1,j+1,P"2,j+1点出射的光线与过P1,j+1点切平面相交,交点即为P"2,j+1,得出P"2,j+1点坐标的递推表达式为:P2,j+1点坐标为P'2,j+1和P"2,j+1坐标和的平均值,P2,j+1坐标的计算公式为:P2,j+1=(P'2,j+1+P"2,j+1)/2。
6.根据权利要求5所述的自由曲面构建方法,其特征在于,所述步骤5计算Pi,j+1点位置过程为:
Pi,j+1坐标点由Pi,j点和Pi‑1,j+1点共同决定,先由Pi,j点求出法向矢量Ni,j,P'i,j+1点出射的光线与过Pi,j点切平面相交,交点即为P'i,j+1,则有其中i=3,4,……,N,j=1,2,……,M;
P'i,j+1点的表达式为:
通过Pi‑1,j+1点求出法向矢量Ni‑1,j+1,P"i,j+1点出射的光线与过Pi‑1,j+1点切平面相交,交点即为P"i,j+1,得出P"i,j+1点递推表达式为:Pi,j+1点坐标为P'i,j+1和P"i,j+1坐标和的平均值,Pi,j+1坐标的计算公式为:Pi,j+1=(P'i,j+1+P"i,j+1)/2当j+1>M时,i=i+1,开始计算下一条曲线数据采样点的位置,计算出组成自由曲面所有的数据点。