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高斯光束整形技术研究

高瑀含  
【摘要】:激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因此,在诸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物医学工程以等技术领域,因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用,进而限制了其应用。因此,需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束,以消除能量不均引起的不良效果。 目前,已发展了非球面透镜组整形法、衍射光学元件法、长焦深元件法、液晶空间光调制法以及自聚焦透镜法等多种技术。在众多整形技术中,非球面整形技术具有结构简单、损伤阂值高、易于实现等优点,具有重要的工程应用价值。传统非球面整形系统设计过程比较复杂,需进行大量的数值计算,设计效果不易得到验证。因此,研究适合计算机软件自动优化设计的方法对整形光学系统的推广具有现实意义。尤其把整形的对象由基模高斯光束扩展到高阶模高斯光束,可进一步完善非球面系统整形技术的理论。 同时,平顶光束在自由空间中传输时,由于衍射效应导致能量非均匀分布,对于平顶光束传输变换亦是激光技术的重要理论研究热点。通过研究平顶光束的传输规律,可以有效利用平顶光束的能量均匀分布特性,改善高斯光束整形系统的性能。常见的平顶光束模型有超高斯光束、平顶高斯光束、费米-狄拉克光束、超洛伦兹光束及平顶洛伦兹光束。在研究平顶光束的整形技术和传输特性时,选择合适的平顶光束模型,可以使研究问题大为简化。不同物理模型之间必有内在的联系,建立不同平顶光束等效关系,对研究平顶光束的传输特性具有指导意义。 本文主要开展了利用非球面透镜进行高斯光束整形的方法及平顶光束传输特性的研究,其具体内容如下: 1)在分析传统基模高斯光束整形方法的基础上,研究了基于光学设计软件ZEMAX自动优化基模高斯光束整形系统的设计方法。根据能量守恒原理,采用平顶洛伦兹光束作为平顶光束的物理模型,推导出任意光线在入射面与出射面的映射函数关系式。借助光学设计软件ZEMAX的编程语言编写ZPL宏指令,自动优化设计了高斯光束整形系统。 2)推广了非球面透镜整形技术的应用范围。研究了直角坐标系下的高阶厄米特-高斯光束和极坐标系下的拉盖尔-高斯光束的整形方法,分别采用费米-狄拉克光束及平顶洛伦兹光束作为平顶光束的物理模型,推导了高阶厄米特-高斯光束及拉盖尔-高斯光束的映射函数关系式,并设计了高阶模高斯光束的整形系统。 3)研究了平顶光束传输特性及不同平顶光束模型之间的等效变换,探讨了影响平顶光束传输特性的因素,对高斯光束整形系统加以改进。利用形状匹配因子和M2因子探讨不同平顶光束模型的等效关系。 4)根据上述理论设计了针对基模高斯光束的实验系统,据此进行了相关实验,验证了设计结果。


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