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《江南大学》 2017年
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自由曲面光学系统在激光光束整形中的应用

彭亚蒙  
【摘要】:激光因其极好的方向性、单色性以及高亮度已被广泛应用于材料加工、激光焊接、光刻技术等领域,在这些领域应用时要求激光能量均匀分布。然而,激光束的能量一般呈高斯分布,这一特性极大地限制了其在上述相关领域的应用,因此需要设计激光整形系统,将能量呈高斯分布的激光束整形为能量均匀分布的光束。目前,已发展了多种激光整形技术,但其中绝大多数整形方法都是基于准直激光而设计的,因此,在进行激光整形时,需要在系统前加上准直系统,使带发散角的激光束转化为准直激光束。这不仅使整形系统更复杂,而且降低了系统光传输效率。为简化系统结构,提高光传输效率,本文应用自由曲面光学系统,提出了针对准直激光束整形的方法,以及两种针对发散激光束整形的优化设计方法,此外,我们还设计了激光剪裁整形系统,该系统能有效地将矩形激光束剪裁为均匀条形激光束。本文具体研究内容如下:首先,设计了单自由曲面整形透镜,实现了对准直激光束的整形。在设计过程中,通过将能量网格化,建立输入和输出面的能量映射关系,基于折射定律矢量形式,计算了自由曲面的数据点,构建了自由曲面透镜。基于这种方法,分别设计了旋转对称和非旋转对称自由曲面透镜。束腰为10mm的圆形孔径准直激光束,经过设计好的旋转对称整形透镜后,在目标平面上的辐射照度均匀度达到了90%;束腰为10mm的准直矩形孔径激光束,经设计的非旋转对称整形透镜后,在目标平面上的辐射照度均匀度达到了90.5%。其次,我们使用了逆向反馈优化法和三维交互优化法对发散激光束进行了整形。同时,我们对自由曲面整形透镜的加工误差和安装误差进行了分析。对逆向反馈优化法而言,先以准直激光束为光源设计的整形透镜作为初始结构,通过调节光源横截面能量网格的大小,从而使目标平面辐射照度均匀分布。应用此方法,以发散半角为2.5°,束腰为10mm的发散激光束为光源,通过3次逆向反馈优化,使发散激光束整形后的辐射照度均匀度达到了90.4%。然后,提出了三维交互优化法。该方法同样先以准直激光束为光源设计的整形透镜作为初始结构,之后对初始结构进行多项式拟合,应用三维交互优化对多项式自由曲面进行优化,提高发散激光束整形后的辐射照度均匀度。应用三维交互优化法,经过679次试错后,优化器获得最优结果。该方法使目标平面辐射照度均匀度提高了5.6%。最后,对所设计的自由曲面整形透镜进行了面形与安装误差分析。分析表明,整形透镜面形误差在±5um范围内对目标平面辐射照度均匀度几乎无影响;纵向位移误差dz对辐射照度均匀度影响较小,横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。最后,我们设计了双自由曲面透镜,并将该透镜和棱镜堆进行组合设计了激光剪裁整形系统。我们以束腰为10mm的矩形孔径准直激光束为输入,光束经剪裁整形系统后输出大小为160mm×10mm的长条光斑,光斑的辐射照度均匀度达到了93.2%。
【关键词】:激光整形 自由曲面 逆向反馈优化 三维交互优化 辐射照度均匀度
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第一章 绪论8-15
  • 1.1 研究背景8-9
  • 1.2 典型激光整形方法9-12
  • 1.2.1 衍射光学元件9
  • 1.2.2 非球面透镜组9-10
  • 1.2.3 双折射透镜组10
  • 1.2.4 微透镜阵列10-11
  • 1.2.5 液晶空间光调制器11-12
  • 1.3 自由曲面光学系统12-13
  • 1.3.1 自由曲面的定义与特点12
  • 1.3.2 自由曲面光学系统应用于激光整形的研究概述12-13
  • 1.4 论文主要内容及结构安排13
  • 1.5 创新点13-15
  • 第二章 用于准直激光光束整形的自由曲面透镜设计15-22
  • 2.1 旋转对称自由曲面整形透镜设计15-18
  • 2.1.1 能量映射关系建立15-16
  • 2.1.2 自由曲面整形透镜构建16-17
  • 2.1.3 模拟验证17
  • 2.1.4 设计实例17-18
  • 2.2 非旋转对称自由曲面整形透镜设计算法18-21
  • 2.2.1 等能量网格划分19-20
  • 2.2.2 自由曲面整形透镜构建20
  • 2.2.3 模拟验证20
  • 2.2.4 设计实例20-21
  • 2.3 小结21-22
  • 第三章 用于发散激光光束整形的自由曲面透镜优化设计22-34
  • 3.1 基于逆向反馈优化的发散激光光束整形22-25
  • 3.1.1 初始结构设计22-23
  • 3.1.2 逆向反馈优化23-24
  • 3.1.3 设计实例24-25
  • 3.2 基于三维交互优化的发散激光光束整形25-31
  • 3.2.1 自由曲面多项式拟合25-26
  • 3.2.2 三维交互优化26-28
  • 3.2.3 设计实例28-31
  • 3.3 自由曲面整形透镜面形加工误差分析31
  • 3.4 自由曲面整形透镜装配误差分析31-32
  • 3.5 小结32-34
  • 第四章 基于双自由曲面透镜与棱镜堆组合的激光光束整形34-41
  • 4.1 双自由曲面单透镜设计34-38
  • 4.1.1 旋转对称双自由曲面透镜设计34-36
  • 4.1.2 非旋转对称双自由曲面透镜设计36-37
  • 4.1.3 设计实例37-38
  • 4.2 激光剪裁整形系统设计38-40
  • 4.2.1 激光剪裁整形系统设计原理38-39
  • 4.2.2 设计实例39-40
  • 4.3 小结40-41
  • 主要结论与展望41-43
  • 致谢43-44
  • 参考文献44-46
  • 附录: 作者在攻读硕士学位期间取得的研究成果46

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