采用非球面光学系统实现激光束整形

论文摘要

在激光技术的许多应用领域中,激光光束的质量直接影响到激光器的应用水平。激光器所输出的光束的传播路径为双曲线,且能量在空间上呈现高斯分布(或者近似高斯分布),而表面热处理、激光材料加工、非线性光学、全息术以及平板印刷术等领域都要求激光光束沿直线传播且能量呈均匀分布。因此,为了提高激光光束的应用水平,需要对其外形进行空间整形,以满足各应用领域中的实际需要。将激光光束从高斯分布转变成平顶分布的光束空间整形,往往需要借助于外加的光束整形系统或元件来实现。相比于其他系统,非球面光学系统具有结构简单、使用方便、可靠性与实用性好等优点,在激光光束整形方面有着广泛的应用前景。本文在总结了国内外研究人员运用双片非球面透镜组进行激光光束整形的基础上设计了应用于TEA CO2激光光束的空间整形的单片非球面镜光束整形系统,实现了对高斯光束的平顶化处理。具体内容如下：介绍了激光光束整形系统的分类与发展,并概况介绍了包括非球面透镜组整形方法在内的激光光束整形技术,然后分别对运用物理光学与几何光学方法实现激光光束整形的基本原理进行了介绍。基于几何光学原理,利用能量守恒定律和等光程条件分别进行了对双片伽利略、双片开普勒、单片伽利略、单片开普勒四种非球面光学系统的光线追迹,求解出透镜矢高的导数与透镜半径之间的函数关系式,并对数值积分方法和曲线拟合方法进行探讨,选取适合本文实验的方法。通过使用龙贝格数值积分法则和非线性最小二乘法,获得单片非球面透镜前后两面的矢高表达式,并通过光学设计软件Zemax进行系统性能优化和实验结果验证。论证所设计的系统的可加工性,为激光光束的空间整形提供了一种可行的解决方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 激光光束整形系统的分类及发展现状
• 1.1.1 激光光束整形系统的分类
• 1.1.2 激光光束整形系统的发展
• 1.2 激光光束整形的主要方法
• 1.2.1 衍射光学元件
• 1.2.2 长焦深整形元件
• 1.2.3 双折射透镜组整形系统
• 1.2.4 液晶空间光调制器
• 1.2.5 阵列式光学整形系统及其发展
• 1.2.6 分离透镜式整形系统及其发展
• 1.3 本论文的研究意义及主要内容
• 2 激光光束整形的基本原理
• 2.1 标量衍射理论
• 2.1.1 基尔霍夫衍射公式
• 2.1.2 菲涅尔衍射公式
• 2.1.3 夫朗禾费衍射公式
• 2.2 Collins公式
• 2.3 一阶光学系统
• 2.4 高斯光束的成像变换
• 3 透镜式整形方法的分析与计算
• 3.1 激光光束的描述
• 3.1.1 高斯光束与平顶光束的描述
• 3.1.2 光束质量的评价
• 3.2 双分离非球面透镜整形系统的主要方法
• 3.2.1 双片伽利略型系统非球面面型函数的设计
• 3.2.2 双片开普勒型系统非球面面型函数的设计
• 3.3 单片非球面透镜整形系统的主要方法
• 3.3.1 单透镜伽利略型系统非球面面型函数设计
• 3.3.2 单透镜开普勒型系统非球面面型函数设计
• 4 数值积分与曲线拟合
• 4.1 龙贝格积分法
• 4.2 轴对称非球面的数学表达式
• 4.3 曲线的拟合方法
• 4.3.1 非线性最小二乘拟合
• 4.3.2 B-样条拟合
• 4.3.3 NURBS拟合
• 4.4 拟合方法的确定
• 5 激光光束整形系统的设计与误差分析
• 5.1 对于系统参数选择的讨论
• 5.2 矢高数据点的产生与数据拟合
• 5.3 光学性能分析与优化
• 5.4 对比设计和实际系统效果
• 5.5 非球面透镜的可加工性研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢