【摘要】：激光光束能量一般呈高斯分布,這種能量非均勻分布的特性會導致材料在局部范圍內產(chǎn)生熱累積,影響加工效果的一致性,極大的限制了激光技術的發(fā)展。光束整形技術可以改變光束的形態(tài)及能量分布狀態(tài),可以有效地降低熱效應,提高加工質量。本文研究了一種基于混合全息圖的光束形態(tài)及質量控制方法,主要研究內容如下:首先,總結了高斯光束和常見平頂光束的理論模型,分析了平頂光束在近場和遠場條件下的傳輸特性。研究了在無光闌限制的近軸ABCD光學的傳輸中,傳輸距離對對平頂光束能量分布狀態(tài)的影響。其次,根據(jù)液晶分子的電控雙折射效應和相變效應解釋了液晶空間光調制器的調制原理。在分析了二元光柵、閃耀光柵以及正弦光柵的衍射特性后,對比了該光柵元件與液晶光柵的衍射特性區(qū)別,并作了適當分析。根據(jù)上述分析設計出了混合全息圖,同時對本文采用的基于混合全息圖的光束整形原理進行說明。再次,根據(jù)實驗需求,設計并搭建了實驗系統(tǒng)。通過加載不同的混合全息圖,在衍射近場獲得任意形狀的平頂光束,有效的降低了邊緣衍射效應,并且在成像面0.5mm范圍內重塑整形光束。重塑的整形光束在拋光不銹鋼樣品上的加工痕跡輪廓,與衍射近場的光束形狀一致。當光柵周期為160μm時,影響光束質量的+1階衍射光束可以完全去除,同時在CCD相機中觀察到的光束局部能量比高達77.67%。通過對混合全息圖的動態(tài)循環(huán)切換實現(xiàn)了25Hz不同形狀的動態(tài)加工。最后,為了提高整形光束能量利用率,設計了二進制灰度級光柵掩模以實現(xiàn)對整形光束的形狀和強度分布的精確控制。研究了不同光柵對整形光束質量的影響,實驗結果表明,當閃耀光柵周期為120μm時,其對應的局部能量比達到最高91.86%,同時光束的均勻性RMSE達到最低值0.039。以二進制灰度級光柵掩模與周期為120μm的閃耀光柵結合的混合全息圖進行實驗,成功的獲得了整形效率為48%的平頂光束。
【學位授予單位】：湖北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O435
【圖文】：

圖 1.1 微透鏡陣系統(tǒng)結構圖射透鏡組學元件和微透鏡陣列系統(tǒng)雖然能完成對特定光束的整形，但是，無法隨著光束的改變靈活的調節(jié)透鏡的透過率函數(shù)。為了解勞倫茲利弗莫爾國家實驗室提出了雙折射透鏡組系統(tǒng)。該系統(tǒng)的不同，靈活的改變透鏡組的透過率。如圖 1.2 所示，該系統(tǒng)由鏡 L1、L2、L3、L4 和一個檢偏器 P 組成。L1 和 L4 為兩個完的平凸透鏡，L2 和 L3 為兩個完全相同的對稱放置的平凹透鏡于偏振光透鏡中心相當于λ/2 波片，有效通光孔徑邊緣相當于λ正好相反，中心相當于λ/4 波片，有效通光孔徑邊緣相當于λ/2 波時，控制光軸垂直于透鏡組的主軸方向，保持平凸透鏡 L1、L透鏡組 L2、L3 繞著光軸方向旋轉，通過改變對應角度可以有效偏振態(tài)，經(jīng)過檢偏器 P 濾波后留下中心部分能量分布較均勻的

5圖 1.2 雙折射透鏡組系統(tǒng)結構圖1.2.5 非球面透鏡組1965 年 Frieden 等人提出了非球面透鏡組整形系統(tǒng)，利用雙分離透鏡把入射的高斯光束整形為平頂光束。如圖 1.3 所示，該整形系統(tǒng)由平凹透鏡 L1 和平凸透鏡L2 組成。其整形原理為：高斯光束經(jīng)過平凹透鏡 L1 后在輸出面 P2 上形成發(fā)散的平頂光束，再經(jīng)過平凸透鏡 L2 的調制后變成平行出射的平頂光束。在設計時，根據(jù)能量守恒原理，建立入射光與平凹透鏡 L1 和平凸透鏡 L2 的曲面幾何交點映射關系，以此確定激光在透鏡中折射方向余弦。由于折射方向余弦為平凹透鏡 L1 曲面 S1 的相位函數(shù)的導數(shù)，因此可以得到曲面 S1 的相位函數(shù)。根據(jù)相位補償原理，可以進一步求得曲面 S2 的相位函數(shù)。圖 1.3 非球面透鏡組系統(tǒng)結構圖這種雙分離透鏡系統(tǒng)的整形效率很高

圖 1.2 雙折射透鏡組系統(tǒng)結構圖5 非球面透鏡組1965 年 Frieden 等人提出了非球面透鏡組整形系統(tǒng)，利用雙分離透鏡把入射光束整形為平頂光束。如圖 1.3 所示，該整形系統(tǒng)由平凹透鏡 L1 和平凸透成。其整形原理為：高斯光束經(jīng)過平凹透鏡 L1 后在輸出面 P2 上形成發(fā)散光束，再經(jīng)過平凸透鏡 L2 的調制后變成平行出射的平頂光束。在設計時，量守恒原理，建立入射光與平凹透鏡 L1 和平凸透鏡 L2 的曲面幾何交點映，以此確定激光在透鏡中折射方向余弦。由于折射方向余弦為平凹透鏡 L11 的相位函數(shù)的導數(shù)，因此可以得到曲面 S1 的相位函數(shù)。根據(jù)相位補償原理進一步求得曲面 S2 的相位函數(shù)。

【參考文獻】

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本文編號：2778678