基于非球面柱透镜的高斯光束整形

摘要

在激光焊接、表明热处理、模式识别、激光材料加工、平板印刷术等高新技术领域中，需要获得光强呈平顶分布的矩形激光束输出。因此，为了提升激光技术的应用水平，需要对激光的能量进行空间整形，以满足在实际应用中的需求。
　　将光强呈高斯分布的激光圆斑整形成光强呈平顶分布的准矩形光斑，需要通过特殊的整形系统来实现。在诸多整形技术中，折射式整形系统具有整形效果佳，能量损耗小、稳定性和实用性强、结构简单等优点。
　　本文提出了基于非球面柱透镜的高斯光束整形系统，该系统属于非轴对称光学系统，由两片正交放置的平/凸柱透镜和平/凹柱透镜组成，能够有效地实现高斯光束整形。
　　本文首先介绍了轴对称高斯光束整形系统，其中包括非成像光学的理论基础，高斯光束和平顶光束的特征和传播规律，非球面透镜的数值求解方法和ZEMAX光学设计软件。在此基础上，提出了非轴对称的高斯光束整形系统，详细分析了基于非球面柱透镜的高斯光束整形理论，并推导出整形系统中任意光线在入射面和出射面上的坐标变换方程。然后，本文给出了一个整形系统的设计实例，并通过ZEMAX编程宏语言实现了系统参数的自动优化。该系统对波长为632.8nm，束腰半径为5mm的高斯光束进行整形，在距离整形系统5000mm处，得到了尺寸为100mm×3000mm且光强呈平顶分布的矩形光斑。仿真设计结果表明，输出光斑的光强均匀度高于95％，能量损耗小于10％。
　　最后，本文使用MATLAB分析了非球面柱透镜的面型误差，结合ZEMAX分析了柱透镜的装调公差，制定了该整形系统的公差容限。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光束整形的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 激光束整形的主要方法

1．3．1 光阑拦截

1．3．2 微透镜阵列

1．3．3 衍射元件

1．3．4 液晶空间光调制器

1．3．5 双折射晶体

1．3．6 长焦深元件

1．3．7 非球面透镜组

1．4 本文的主要内容

第二章 轴对称高斯光束整形系统

2．1 非成像光学基本理论

2．1．1 能量收集率

2．1．2 边缘光线法

2．1．3 光学扩展量

2．2 高斯光束与平顶光束描述

2．3 非球面镜数值计算

2．4 ZEMAX光学软件简介

2．4．1 序列和非序列模式

2．4．2 编程宏语言

2．4．3 公差分析

第三章 高斯光束整形系统设计

3．1 非球面柱透镜整形理论

3．2 整形系统设计实例

3．2．1 光源建模

3．2．2 初始结构

3．2．3 整形算法

3．3 整形系统设计实例

3．3．1 能量损耗率和光强均匀度

3．3．2 波长偏移对整形效果的影响

3．3．3 束腰浮动对整形效果的影响

3．4 整形系统设计实例

第四章 整形系统的公差分析

4．1 面型公差分析

4．2 装配公差分析

4．3 公差评价

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢