单模激光光束整形技术研究

发布时间：2020-10-17 03:52

　　 自从激光问世以来,由于其具有良好的单色性与方向性,被广泛地应用于实际生产生活中。然而对于单模激光来说,其能量分布呈现一种非均匀的高斯型分布。故此在实际应用中,由于光束能量的非均匀性,将直接导致激光与物质相互作用,从而限制了激光在光刻、加工、焊接、目标模拟等方面的应用。因此将高斯光束整形为平顶光束具有重要意义。本文采用了非球面光束整形和反高斯镀膜光束整形两种方法对单模高斯光束进行整形研究,并分别实现了无损光束整形以及大口径高平行度远场平顶光的获取,主要研究内容可概括如下:首先深入研究了高斯光束整形技术理论,对单模高斯光束和几类平顶光束的特性参数及传播规律进行了深入的推导分析。然后选取特定的输入输出光束分布建立了与其对应的映射关系,并根据能量守恒定律对两片偶次非球面光束整形系统的面型参数进行了拟合计算,并通过光学设计软件对光束均匀性进行仿真计算来验证设计。然后根据ZEMAX光学设计软件中的ZPL宏指令编程优化设计了一套两片偶次非球面光束整形系统,并对其均匀性进行仿真计算来验证所设计系统的正确性。接着设计了一套4~6倍连续变倍的扩束系统,该系统可以将任意口径的入射光束扩束为指定输出口径来配合整形系统的使用,计算并绘制出其变焦曲线。为了解决由于出射光束的发散造成的均匀性下降的问题,设计了一套定倍准直扩束系统,从而有效地增加了均匀性作用距离。并为三套系统设计了相应的机械结构以便于实际加工装调。最后为了获得大口径高平行的远场均匀光束,在特定光源以及特定的输出口径的条件下设计了一套反高斯光束整形系统,并在实验室环境下对所设计结果的均匀性进行了实际测试,从而验证了设计结果的正确性。并对影响光束均匀性的原因进行了分析与总结。其中着重分析了光源稳定性、干涉衍射现象以及杂散光对于均匀性的影响,并由此对所设计的反高斯镀膜光束整形系统进行了优化改进。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文非球面光束整形技术主要是采用两片非球面以伽利略式或开普勒式组成的光束整形系统[8]，其中第一片主要起到平顶匀化作用，而第二片则主要是起到准直输出作用，该方法简单、稳定、可靠、能量利用率高，工程应用性强，其原理图如图 1-1 所示。

图 1-1 非球面光束整形系统原理图用微透镜阵列对激光进行整形也是众多光束整形技术中较为流透镜阵列将入射光分为若干子光束，即首先对波面进行划分，虽匀性比较差但是对于每个子光束而言其内部均匀性较好，然后经进行聚焦，每个子光束都经过聚焦透镜汇聚在指定像面上，通过像面上的叠加，因此在像面处可以得到均匀的光束[10]。微透镜阵分为非成像型微透镜阵列和成像型微透镜阵列，非成像型微透镜原理图如图 1-2 所示。

图 1-3 成像型微透镜阵列光束整形系统原理图对于非成像型微透镜阵列来说，只包括微透镜阵列和聚焦透镜，首经过几微米至即几百微米的微透镜阵列后被分割为非常细小的光束聚焦透镜在焦面上叠加，因此可以得到非常均匀的光束，成像型微形相较于非成像型微透镜阵列来说仅仅多了一片微透镜阵列，由此是当平行的入射光线与光轴有一定的偏移夹角时，会避免旁斑的产生双折射透镜组光束整形系统主要包括四个双折晶体透镜和一个检偏，其主要原理是将四个双折射晶体透镜两两一组，共分为两组，他系统的光轴相互垂直，通过将第二组晶体透镜绕光轴进行旋转，从组晶体透镜主轴间的夹角，最后光束经过检偏器后会得到不同的偏被整形为均匀的线偏振光[15]。下图 1-4 展示了双折射透镜组光束整理及结构。液晶空间光调制器对高斯光束整形的主要原理是通过电致液晶分子而改变透过率的现象。首先需要计算输入光场、输出光场以及期望者之间的差异，然后根据所得到的差异去计算各个位置所对应的透
【参考文献】

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本文编号：2844231