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书书书
第
37
卷
第
10
期
中
国
激
光
Vol.37
,
No.10
2010
年
10
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犗犮狋狅犫犲狉
,
2010
文章编号:
02587025
(
2010
)
10254307
一种折射式激光高斯光束平顶整形器
尚建力
1
,
2
朱
晓
1
,
2
陈
鹏
1
,
2
朱广志
1
,
2
王
伟
1
,
2
任松青
1
,
2
严
琼
1
,
2
1
华中科技大学光电子科学与工程学院,湖北 武汉
430074
;
2
激光加工国家工程研究中心,湖北 武汉
( )
430074
摘要
为了将高斯光束整形为平顶的准直激光光束,在 现有 双 非球 面透 镜 整形 器的 基 础上,设 计了 一种 只 使用 一
片非球面透镜的光束整形器
。在理论模型中,提出了更加准确的非球面面形函 数计 算方法。 经过数 值模 拟和光 学
设计软件仿真
,分析了系统与激光光束参数变化对整形 效果 的 影响,表 明这 种新 型 整形 器可 以 使激 光光 束 的平 顶
性得到明显的提高。此整形器避免了传统折射式光束整 形 器的 体积 大、不 易调 节等 弊 端,提 高 了器 件的 可 靠性 和
实用性。
关键词
激光技术;平顶光束;高斯光束;光束整形器;非球面透镜
中图分类号
O435
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔20103710.2543
犚犲犳狉犪犮狋犻狏犲犗
狆
狋犻犮犪犾犚犲狊犺犪
狆
犲狉狋犺犪狋犆狅狀狏犲狉狋狊犪犔犪狊犲狉犌犪狌狊狊犻犪狀
犅犲犪犿狋狅犪犉犾犪狋犜狅
狆
犅犲犪犿
犛犺犪狀
犵
犑犻犪狀犾犻
1
,
2
犣犺狌犡犻犪狅
1
,
2
犆犺犲狀犘犲狀
犵
1
,
2
犣犺狌犌狌犪狀
犵
狕犺犻
1
,
2
犠犪狀
犵
犠犲犻
1
,
2
犚犲狀犛狅狀
犵狇
犻狀
犵
1
,
2
犢犪狀犙犻狅狀
犵
1
,
2
1
犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犗
狆
狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀
犵
犻狀犲犲狉犻狀
犵
,
犎狌犪狕犺狅狀
犵
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
犆犺犻狀犪
2
犖犪狋犻狅狀犪犾犈狀
犵
犻狀犲犲狉犻狀
犵
犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉
犳
狅狉犔犪狊犲狉犘狉狅犮犲狊狊犻狀
犵
,
犠狌犺犪狀
,
犎狌犫犲犻
430074
,
烄
烆
烌
烎
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犐狀狅狉犱犲狉狋狅犮狅狀狏犲狉狋犪犾犪狊犲狉犌犪狌狊狊犻犪狀犫犲犪犿狋狅犪犮狅犾犾犻犿犪狋犲犱犳犾犪狋狋狅
狆
犫犲犪犿
,
犪狀犲狑狉犲狊犺犪
狆
犲狉狑犻狋犺狅狀犾
狔
狅狀犲
犪狊
狆
犺犲狉犻犮犾犲狀狊犻狊犱犲狊犻
犵
狀犲犱犫犪狊犲犱狅狀 犱狅狌犫犾犲犪狊
狆
犺犲狉犻犮犾犲狀狊犲狊狉犲狊犺犪
狆
犲狉.犐狀狋犺犲狋犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾 犿狅犱犲犾
,
犪 犿狅狉犲犪犮犮狌狉犪狋犲
犮犪犾犮狌犾犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱狅犳犮狌狉狏犲狊犳狌狀犮狋犻狅狀狅犳犪狊
狆
犺犲狉犻犮犾犲狀狊犻狊
犵
犻狏犲狀.犜犺犲狉犲狊犺犪
狆
犻狀
犵
犲犳犳犲犮狋犻狅狀
,
犫狉狅狌
犵
犺狋犫
狔
狋犺犲犮犺犪狀
犵
犲犳狉狅犿
狋犺犲
狆
犪狉犪犿犲狋犲狉狅犳狊
狔
狊狋犲犿犪狀犱犾犪狊犲狉犫犲犪犿
,
犻狊
犵
犻狏犲狀狋犺狉狅狌
犵
犺狀狌犿犲狉犻犮犪犾犪狀犪犾
狔
狊犻狊犪狀犱狅
狆
狋犻犮犪犾犱犲狊犻
犵
狀狊狅犳狋狑犪狉犲狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀.
犐狋犻狊犻犾犾狌狊狋狉犪狋犲犱狋犺犪狋狋犺犲犳犾犪狋狋犲狀犱犲
犵
狉犲犲狅犳狋犺犲犾犪狊犲狉犫犲犪犿犮犪狀犫犲犻犿
狆
狉狅狏犲犱犪
狆狆
犪狉犲狀狋犾
狔
狌狊犻狀
犵
狋犺犻狊狀犲狑犽犻狀犱狅犳狉犲狊犺犪
狆
犲狉.
犜犺犲狀狅狏犲犾 犿犲狋犺狅犱 犪狏狅犻犱狊狊狅犿犲 狊犺狅狉狋犮狅犿犻狀
犵
狊 狅犳狋狉犪犱犻狋犻狅狀犪犾狉犲犳狉犪犮狋犻狏犲 狅
狆
狋犻犮犪犾狉犲狊犺犪
狆
犲狉 狊狌犮犺 犪狊犾犪狉
犵
犲 狏狅犾狌犿犲
,
犮狅犿
狆
犾犲狓犻狋
狔
狅犳狉犲
犵
狌犾犪狋犻狀
犵
,
犲狋犮
,
犪狀犱犲狀犺犪狀犮犲狊狋犺犲狉犲犾犻犪犫犻犾犻狋
狔
犪狀犱
狆
狉犪犮狋犻犮犪犫犻犾犻狋
狔
狅犳犱犲狏犻犮犲.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
犾犪狊犲狉狋犲犮犺狀犻
狇
狌犲
;
犳犾犪狋狋狅
狆
犫犲犪犿
;
犌犪狌狊狊犻犪狀犫犲犪犿
;
狉犲狊犺犪
狆
犲狉
;
犪狊
狆
犺犲狉犻犮犾犲狀狊
收稿日期:
20091111
;收到修改稿日期:
20100406
作者简介:尚建力(
1986
—),男,博士研究生,主要从事固体激光器及激光技术方面的研究。
Email
:
shan
gj
ianli
@
g
mail.com
导师简介:朱
晓(
1963
—),男,教授,博士生导师,主要从事固体激光器与激光技术方面的研究。
Email
:
zx
@
mail.hust.edu.cn
1
引
言
激光广泛应 用在工业和 科学研究的 众多领域。
相对于高斯光束,光 强 分布为平 顶 函数的激 光 光束
往往 在 材 料 加 工
[
1
,
2
]
、激 光 全 息、光 刻、非 线 性 光 学
技术等领域更加 实 用。因此,高效地将 高 斯激光光
束转换为平顶光束的整形技术研究很有必要
。
目前,将 高斯光束转 换为平顶光 束的方法主 要
有利用二元光学元件
[
3
~
6
]
、球面透镜阵列
[
7
]
、变折 射
率透镜
[
8
]
、积分镜
[
9
]
和折射式透镜整形等方法。其
中折射式透镜整形方法很适合应用于高功率激光材
料加工等方面
。
对于 能 量 分 布 为 轴 对 称 的 激 光 光 束,
B.R.
Frieden
[
10
]
和
J.L.Kreuzer
[
11
]
分 别 于
1965
年 和
1969
年提出利用 单个球面透 镜的整形方 法。
20
世
纪
60
年代,就有人提出利用非球面镜对高斯光束整
形的设想。
1993
年,
W.Jian
g
等
[
12
]
才 发 表 了 相 应
的实验结果。近年来,利用磁流变抛 光法(
MRF
)技
术
[
13
]
人们可以 容 易 地 获 得 精 度 很 高 且 费 用 可 接 受
中
国
激
光
37
卷
的非球面透镜。
J.A.Hoffna
g
le
等
[
14
]
对利用非 球
面透镜组将 高 斯 光 束 整 形 为 准 直 平 顶 光 束 做 了 研
究
,但他给出的透镜面形函数不够精确,其方案至少
需要两面非球面透 镜
,也 没有对光 学 系统设计 中 各
参数选取对输出光束的影响做深入分析
。
本文介绍了利用非球面透镜对高斯光束的平顶
化整形;给出了较之 前 研究更加 合 理的非球 面 镜面
形曲线函数表达式
;并 根据这一 表 达式提出 了 单透
镜完成整形的方法;比较了不同的光学系统形式、非
球面镜加工精度
、输 出 光束半径 对 整形效果 的 影响
及系统对入射光束尺寸的敏感性。并对这种折射式
整形方案进行了理 论研究和 数 值模拟,得出了 利 于
这一方案设计和优化的相应结论。
2
基本理论
2.1
光束的平顶性
对于 基模高斯光 束的截面空 间光强分布,可 以
用高斯函数来描述。 而对于期 望 获得的平 顶 光束,
可以用多种方法 来描述和 评 价。如费 米 狄拉克函
数、超高斯函数 或 平顶高斯 函 数。经过 整 形器获得
的并不是理想的平 顶光束,若采用 上 述三种函 数 来
描述输出光束的平 顶性,需要先将 输 出光束光 强 的
空间分布拟合为上 述函数的 形 式,但 是这样的 过 程
是复杂的
,并且在实际 应 用中不够 直 观方便。文 献
[
15
]提出 一 种 简 明、直 观 的 光 束 平 顶 性 评 价 方 法。
如图
1
所示,假设光束光强分布可以用函数
犳
(
狉
)描
述,其中最大 光 强 为
犐
max
,并 规 定 在 某 实 际 应 用 中,
合适的工作光强为 一 特定值
犐
workin
g
。因此,
犈
1
为超
过工作光 强 的 能 量 部 分;
犈
2
为 低 于 工 作 光 强 的 部
分;只有
犈
3
是 在 实 际 应 用 中 有 效 且 必 要 的 部 分。
实际应用中希 望
犈
3
在 总 能 量 中 的 比 值 (下 文 中 称
其为有效利用比)较 大,利 用 这一参数,可以很容 易
评价一光束平顶性的优劣。
图
1
应用中光束能量的有效部分与无效部分
Fi
g
.1 Effective
p
artanduseless
p
artsofthebeam
ener
gy
insomea
pp
lications
2.2
失真的望远镜结构
在设 计的整形器 中,输入为经过 准直的高斯 光
束或其他截面光强 分 布没有角 向 分量函数 的 光束。
利用两片特别 设计的非球 面平 凹/凸透镜,使输出
为准直平顶光束。
如图
2
所示,采 用两片非球 面镜的整形 器中第
一片非球面镜为能 量空间分 布 调整透镜,使光束光
强在特定位置(第二 片透镜处)为 平顶分布;第二片
非球面镜为再准直透镜。整形器可以看成一望远镜
系统,只是不同孔径区域其放大率不相等,即望远镜
成像是失真变形的。
望远镜设计整形器可以分为伽利略型和开普勒
型。由 图
2
可 以 看 出,伽 利 略 型 设 计 没 有 实 焦 点。
但是往往伽利略型设计中第一个非球面镜的面形相
对复杂。
图
2
双非球面透镜整形器示意图。(
a
)伽利略型,
(
b
)开普勒型
Fi
g
.2 Schematicla
y
outofdoubleas
p
hericlenses
resha
p
er.
(
a
)
Galileandesi
g
n
,(
b
)
Ke
p
leriandesi
g
n
2.3
非球面镜面形函数
合理地设计非球面透镜曲面是获得平顶光束输
出的关键。故根据 不同孔径 区 域的放大 率,可 得 到
透镜的面形函数。
如图
3
所 示,当 输 入 光 斑 尺 寸 为
狑
0
的 基 模 高
斯光束时,光 束 截 面 上 半 径 小 于
狉
区 域 内 功 率 为
π
犐
0
狑
2
0
2
1
-
ex
p
-
2
狉
2
狑
( )
[ ]
2
0
,要得到光强为
犐
犳
的平顶
光束
,在输出面上这些能量应平均重排在半径为
图
3
双透镜光束整形器光线偏折示意图
Fi
g
.3 Schematicre
p
resentationofatwolenses
resha
p
er
,
showin
g
the
p
athofa
g
eneralra
y
4452
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