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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2013年
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基于非成像光学的微透镜阵列激光整形器件优化设计

刘丽红  
【摘要】:在光刻、激光打印、材料加工、医疗器械、光学数据存储、光学处理、电子行业的微精细加工、干涉测量以及光学全息等领域,激光整形系统的好坏是决定器件整体性能优劣的关键因素之一。目前常用的激光整形技术有二元光学元件、液晶空间光调制器、积分镜、随机相位板、变折射率透镜、双折射透镜组、微透镜阵列等。在各种类型的激光整形器件中,微透镜阵列具有辐照均匀、材料易获取、制造工艺简单、光学损耗低、易于集成等优势。目前大多采用蝇眼透镜阵列实现平顶分布的高斯光束,但蝇眼透镜阵列需要光学系统的精确校准、光学损耗较高,且应用大多局限在微型投影领域。为简化微透镜阵列整形系统的结构,提高光学系统的能量传输效率,本文分别设计了非球面微透镜阵列和紧凑型自由曲面透镜阵列整形系统,以精确控制光束分布,实现光束整形的目标。 目前,微透镜阵列面型的获得均是采用计算的方法,比较复杂、费时,本文针对高斯光束的均匀化,提出一种新的基于非成像光学的优化设计方法。首先确定入射光束和出射光束光强分布的数学表达式。基于等能量网格划分和等能量映射的方法确立采样光线在入射面和目标面上的二维坐标,从而建立Macro宏语言优化函数。在Zemax软件中进行光线追迹,对微透镜的面型进行自动的Macro宏优化。 本文第1章介绍了课题研究背景和意义,激光整形技术的重要性和应用领域,以及目前广泛使用的激光整形器件的特点、设计原理、优缺点和各自应用的领域。介绍微透镜阵列激光整形系统的优势和主要应用的领域,以及目前微透镜阵列激光整形系统的类型和设计方法。此外,对激光加工所需要的激光光斑形状和能量分布进行了介绍。 第2章介绍非成像光学的基本原理,以及基于非成像光学的自由曲面理论。 第3章阐述了基于非成像光学的非球面微透镜阵列激光整形系统的设计原理,以及基于非成像光学的Macro宏优化函数的编写。将非球面微透镜阵激光整形系统导入TracePro软件中,分析目标光束的空间分布并给出在特定目标面上的均匀性、能量利用率等指标。 第4章介绍了采用宏优化的方法,对紧凑型自由曲面微透镜阵列激光整形系统进行设计的具体过程。将自由曲面微透镜阵列激光整形系统的优化设计结果导入TracePro软件中,并分析光束的各项指标。 第5章对硕士阶段的工作进行总结,对下一步的工作做出展望。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN249

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【参考文献】
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