基于微透镜阵列的激光光束整形技术研究

摘要

在材料处理、医学手术、半导体制造、激光核聚变及全息术等激光应用领域，激光光束的能量分布不均匀特性限制了其应用，需将高斯光束整形成能量均匀分布的平顶激光束。目前国内大多采用非球面透镜组、二元光学元件或空间光调制器构成光束整形均化装置，而鲜有对以微透镜阵列(Microlens array, MLA)作为均化元件的激光均化器研究。微透镜阵列均化器具有结构简单、制造成本低、对入射光束变化不敏感等优点，所以研究基于微透镜阵列的激光光束均化技术有很大的工程意义和应用价值。
　　本文主要研究了微透镜阵列为主要元件组成的衍射型和成像型两种结构光束均化器。首先以标量衍射理论为基础，详细推导了两种结构均化器的目标面理论光场分布的数学表达式。根据几何光学成像公式得到目标面光斑大小与系统参数的关系。然后以菲涅尔数评价均化器中衍射效应，通过MATLAB软件仿真菲涅尔数变化对均化光斑的影响。用算子光学方法得到了两种微透镜阵列均化器的等效模型。最后，分析了准直激光器作为光源时均化面的干涉效应，对于高相干光源均化光光斑不可避免的出现高对比度的干涉点阵图。构建了衍射型与成像型微透镜阵列均化试验系统，计算测量结果并与论文推导的理论结果相比较。实验结果证明了文中所建立的微透镜阵列均化器模型正确有效。说明了微透镜阵列作为激光光束均化器主要元件的可行性和高效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外发展现状及趋势

1．2．1 光束整形基本原理

1．2．2 常用光束整形方法

1．3 论文的主要研究内容

2 微透镜阵列光束积分器原理

2．1 衍射型微透镜阵列均化器

2．1．1 几何光学描述

2．1．2 波动光学描述

2．2 成像型徼透镜阵列均化器

2．2．1 几何光学描述

2．2．2 波动光学描述

2．3 本章小结

3 均化器中的衍射效应

3．1 菲涅尔数

3．2 微透镜菲涅尔数对均匀性影响

3．2．1 衍射型匀化器

3．2．2 成像型均化器

3．3 衍射效应的算子光学方法分析

3．3．1 衍射型均化器的等效模型

3．3．2 成像型均化器的等效模型

3．4 两阵列间距对均匀性影响

3．5 本章小结

4 均化器中的干涉效应

4．1 周期结构衍射屏的光栅效应

4．2 激光器空间相干性的影响

4．3 降低光源相干性

4．4 本章小结

5 实验结果与分析

5．1 实验装置

5．2 准直He-Ne激光光源实验

5．3 530nmLED光源实验

5．4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献