基于混合全息图的光束形态及质量控制

发布时间：2020-08-02 15:05

【摘要】：激光光束能量一般呈高斯分布,这种能量非均匀分布的特性会导致材料在局部范围内产生热累积,影响加工效果的一致性,极大的限制了激光技术的发展。光束整形技术可以改变光束的形态及能量分布状态,可以有效地降低热效应,提高加工质量。本文研究了一种基于混合全息图的光束形态及质量控制方法,主要研究内容如下:首先,总结了高斯光束和常见平顶光束的理论模型,分析了平顶光束在近场和远场条件下的传输特性。研究了在无光阑限制的近轴ABCD光学的传输中,传输距离对对平顶光束能量分布状态的影响。其次,根据液晶分子的电控双折射效应和相变效应解释了液晶空间光调制器的调制原理。在分析了二元光栅、闪耀光栅以及正弦光栅的衍射特性后,对比了该光栅元件与液晶光栅的衍射特性区别,并作了适当分析。根据上述分析设计出了混合全息图,同时对本文采用的基于混合全息图的光束整形原理进行说明。再次,根据实验需求,设计并搭建了实验系统。通过加载不同的混合全息图,在衍射近场获得任意形状的平顶光束,有效的降低了边缘衍射效应,并且在成像面0.5mm范围内重塑整形光束。重塑的整形光束在抛光不锈钢样品上的加工痕迹轮廓,与衍射近场的光束形状一致。当光栅周期为160μm时,影响光束质量的+1阶衍射光束可以完全去除,同时在CCD相机中观察到的光束局部能量比高达77.67%。通过对混合全息图的动态循环切换实现了25Hz不同形状的动态加工。最后,为了提高整形光束能量利用率,设计了二进制灰度级光栅掩模以实现对整形光束的形状和强度分布的精确控制。研究了不同光栅对整形光束质量的影响,实验结果表明,当闪耀光栅周期为120μm时,其对应的局部能量比达到最高91.86%,同时光束的均匀性RMSE达到最低值0.039。以二进制灰度级光栅掩模与周期为120μm的闪耀光栅结合的混合全息图进行实验,成功的获得了整形效率为48%的平顶光束。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O435
【图文】：

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图 1.1 微透镜阵系统结构图射透镜组学元件和微透镜阵列系统虽然能完成对特定光束的整形，但是，无法随着光束的改变灵活的调节透镜的透过率函数。为了解劳伦兹利弗莫尔国家实验室提出了双折射透镜组系统。该系统的不同，灵活的改变透镜组的透过率。如图 1.2 所示，该系统由镜 L1、L2、L3、L4 和一个检偏器 P 组成。L1 和 L4 为两个完的平凸透镜，L2 和 L3 为两个完全相同的对称放置的平凹透镜于偏振光透镜中心相当于λ/2 波片，有效通光孔径边缘相当于λ正好相反，中心相当于λ/4 波片，有效通光孔径边缘相当于λ/2 波时，控制光轴垂直于透镜组的主轴方向，保持平凸透镜 L1、L透镜组 L2、L3 绕着光轴方向旋转，通过改变对应角度可以有效偏振态，经过检偏器 P 滤波后留下中心部分能量分布较均匀的

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5图 1.2 双折射透镜组系统结构图1.2.5 非球面透镜组1965 年 Frieden 等人提出了非球面透镜组整形系统，利用双分离透镜把入射的高斯光束整形为平顶光束。如图 1.3 所示，该整形系统由平凹透镜 L1 和平凸透镜L2 组成。其整形原理为：高斯光束经过平凹透镜 L1 后在输出面 P2 上形成发散的平顶光束，再经过平凸透镜 L2 的调制后变成平行出射的平顶光束。在设计时，根据能量守恒原理，建立入射光与平凹透镜 L1 和平凸透镜 L2 的曲面几何交点映射关系，以此确定激光在透镜中折射方向余弦。由于折射方向余弦为平凹透镜 L1 曲面 S1 的相位函数的导数，因此可以得到曲面 S1 的相位函数。根据相位补偿原理，可以进一步求得曲面 S2 的相位函数。图 1.3 非球面透镜组系统结构图这种双分离透镜系统的整形效率很高

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图 1.2 双折射透镜组系统结构图5 非球面透镜组1965 年 Frieden 等人提出了非球面透镜组整形系统，利用双分离透镜把入射光束整形为平顶光束。如图 1.3 所示，该整形系统由平凹透镜 L1 和平凸透成。其整形原理为：高斯光束经过平凹透镜 L1 后在输出面 P2 上形成发散光束，再经过平凸透镜 L2 的调制后变成平行出射的平顶光束。在设计时，量守恒原理，建立入射光与平凹透镜 L1 和平凸透镜 L2 的曲面几何交点映，以此确定激光在透镜中折射方向余弦。由于折射方向余弦为平凹透镜 L11 的相位函数的导数，因此可以得到曲面 S1 的相位函数。根据相位补偿原理进一步求得曲面 S2 的相位函数。

【参考文献】