基于ZEMAX的短脉冲激光光束整形系统设计

发布时间：2020-10-24 16:24

　　 激光器发出的光束通常为圆形的高斯光束,优化设计的光束整形系统不仅可以根据输入光束的特性改变其光强分布为均匀的平顶分布,同时也可以将光斑形状整形为线型。本文详细研究基于非球面透镜组和一种折射式光束整形系统的仿真设计及后者的实验验证。具体内容如下:1.运用光学设计软件的编程语言编写程序设计了由两个正交放置的平凸非球面柱透镜组成的高斯光束整形系统,仿真得到了能量均匀度为95.8%且尺寸大约为27mm×0.4mm的线型光斑。同时分析了入射光斑束腰尺寸变化范围在±0.25mm时对输出线型光斑能量均匀度的影响。2.通过ZEMAX设计了一套折射式光束整形系统及用于将整形系统所得线斑尺寸缩小5倍的成像系统。光束整形系统由一片扇形角为10°且入射光斑直径为3mm的鲍威尔棱镜及两片正交放置的不等焦距的球面平凸柱面镜组成,经过整形系统后所得线型光斑的理论计算尺寸为10.5mm×72μm。成像系统由两片焦距为f250mm的镜片外加一片焦距为f30mm的镜片组成,经过成像系统后的线型光斑尺寸的理论值为2.1mm×14.4μm。3.在光学平台上搭建了折射式光束整形系统及成像系统,通过激光光斑分析仪及相关微加工实验验证了所设计整形系统的可行性。
【学位单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：

两种方案均用 ZEMAX 软件建模分析，结果表明单个柱透镜虽能将高斯圆整形为线型光斑，但是仿真结果表明线型光斑光强仍然是中间部分高且向两端渐减低，近似符合高斯分布。采用鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜相结合的方案则得了满足使用要求的线型光斑，线型光斑的光强在长度方向为平顶分布并成功将应用在激光超声激励与检测技术领域。国内对于高斯光束整形技术的研究较多体现在理论研究及科研上，关于可接商业化应用于工程实际的光束整形器件鲜有报道。1.2.2 国外研究现状对于仅改变光束光强分布的高斯光束整形技术研究，国外学者对此进行了为深入的研究并已成功研制出可直接商业化应用的标准化光束整形器件，其中有代表性的是德国 MolTech GmbH 公司开发的名为 π-shaper 的光束整形器件，器件有多种型号，可适用于波长范围在 266nm 至 1060nm 的多波段、多种类激器。如图 1.1 所示为该公司生产的某型号 π-shaper 实物图[15]。图 1.2[15]所示为经π-shaper 前后光斑光强分布图。

（a）入射高斯光束 （b）出射平顶光束图 1.2 高斯光束整形前后光强分布图国外学者对高斯圆斑整形为平顶线型光斑的研究成果较为丰富。早在 1987 年学者 I.Powell 设计出一种只需一片透镜就可以实现出射光斑为光强平顶分布线的光学元件并将其命名为鲍威尔棱镜[16]，所设计的每个鲍威尔棱镜都有特定尺的入射光斑直径及发散角值，用于不同的输入光斑尺寸及获得所需长度尺寸的型光斑。2003 年，Arnold Daniels 及 Glyn D.W.Lewis[17]等人设计出一种较为先进的变光束整形系统用于获得不同长宽尺寸的线型光斑,该光束整形系统基于衍射光学理。其先用 ZEMAX 软件建模该光束整形系统，再通过实验论证了该系统的实性，所用激光光源的运行波长为 532nm。获得了长度变化范围为 0.16mm 至 1mm宽度可缩小至 15μm 的线型光斑，线型光斑长度方向光强平顶分布，宽度方向尺较小，光强为高斯分布。2007 年，德国 LIMO 微光学有限公司的 O.Homburg、D.Hauschild 及 P.Hart等人[18]开发出强大的基于麦克斯韦方程组的光束整形系统设计软件，其利用该

图 1.3 LIMO 公司研发的基于微透镜阵列的光束整形器，仍然是德国 LIMO 微光学有限公司的 A.Bayer、J.Mein微光学理论、标准宏观光学理论、球差补偿理论及无阵列整形系统，实现了长度尺寸为 13mm，宽度尺寸小。该整形系统的工作距离大约为 80mm,整形对象为工作 的激光二极管，整形所得线型光斑的峰值功率大于 80k%。外的 Holo/Or 公司也研发出多种可直接商业化应用的基器件（DOE），包括整形后出射光斑为长宽比尺寸较大[20]为其整形原理示意图。图 1.5 所示[20]的是波长为 53E 元件后整形所得线型光斑的实际尺寸测量图及其光强
【参考文献】

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本文编号：2854701