本文選題：激光整形 + 自由曲面�。� 參考：《江南大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：激光因其極好的方向性、單色性以及高亮度已被廣泛應(yīng)用于材料加工、激光焊接、光刻技術(shù)等領(lǐng)域,在這些領(lǐng)域應(yīng)用時要求激光能量均勻分布。然而,激光束的能量一般呈高斯分布,這一特性極大地限制了其在上述相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用,因此需要設(shè)計激光整形系統(tǒng),將能量呈高斯分布的激光束整形為能量均勻分布的光束。目前,已發(fā)展了多種激光整形技術(shù),但其中絕大多數(shù)整形方法都是基于準(zhǔn)直激光而設(shè)計的,因此,在進(jìn)行激光整形時,需要在系統(tǒng)前加上準(zhǔn)直系統(tǒng),使帶發(fā)散角的激光束轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)直激光束。這不僅使整形系統(tǒng)更復(fù)雜,而且降低了系統(tǒng)光傳輸效率。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高光傳輸效率,本文應(yīng)用自由曲面光學(xué)系統(tǒng),提出了針對準(zhǔn)直激光束整形的方法,以及兩種針對發(fā)散激光束整形的優(yōu)化設(shè)計方法,此外,我們還設(shè)計了激光剪裁整形系統(tǒng),該系統(tǒng)能有效地將矩形激光束剪裁為均勻條形激光束。本文具體研究內(nèi)容如下:首先,設(shè)計了單自由曲面整形透鏡,實現(xiàn)了對準(zhǔn)直激光束的整形。在設(shè)計過程中,通過將能量網(wǎng)格化,建立輸入和輸出面的能量映射關(guān)系,基于折射定律矢量形式,計算了自由曲面的數(shù)據(jù)點,構(gòu)建了自由曲面透鏡�；谶@種方法,分別設(shè)計了旋轉(zhuǎn)對稱和非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面透鏡。束腰為10mm的圓形孔徑準(zhǔn)直激光束,經(jīng)過設(shè)計好的旋轉(zhuǎn)對稱整形透鏡后,在目標(biāo)平面上的輻射照度均勻度達(dá)到了90%;束腰為10mm的準(zhǔn)直矩形孔徑激光束,經(jīng)設(shè)計的非旋轉(zhuǎn)對稱整形透鏡后,在目標(biāo)平面上的輻射照度均勻度達(dá)到了90.5%。其次,我們使用了逆向反饋優(yōu)化法和三維交互優(yōu)化法對發(fā)散激光束進(jìn)行了整形。同時,我們對自由曲面整形透鏡的加工誤差和安裝誤差進(jìn)行了分析。對逆向反饋優(yōu)化法而言,先以準(zhǔn)直激光束為光源設(shè)計的整形透鏡作為初始結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)光源橫截面能量網(wǎng)格的大小,從而使目標(biāo)平面輻射照度均勻分布。應(yīng)用此方法,以發(fā)散半角為2.5°,束腰為10mm的發(fā)散激光束為光源,通過3次逆向反饋優(yōu)化,使發(fā)散激光束整形后的輻射照度均勻度達(dá)到了90.4%。然后,提出了三維交互優(yōu)化法。該方法同樣先以準(zhǔn)直激光束為光源設(shè)計的整形透鏡作為初始結(jié)構(gòu),之后對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行多項式擬合,應(yīng)用三維交互優(yōu)化對多項式自由曲面進(jìn)行優(yōu)化,提高發(fā)散激光束整形后的輻射照度均勻度。應(yīng)用三維交互優(yōu)化法,經(jīng)過679次試錯后,優(yōu)化器獲得最優(yōu)結(jié)果。該方法使目標(biāo)平面輻射照度均勻度提高了5.6%。最后,對所設(shè)計的自由曲面整形透鏡進(jìn)行了面形與安裝誤差分析。分析表明,整形透鏡面形誤差在±5um范圍內(nèi)對目標(biāo)平面輻射照度均勻度幾乎無影響;縱向位移誤差dz對輻射照度均勻度影響較小,橫向誤差dx、傾斜角誤差dφ對輻射照度均勻度影響較大。最后,我們設(shè)計了雙自由曲面透鏡,并將該透鏡和棱鏡堆進(jìn)行組合設(shè)計了激光剪裁整形系統(tǒng)。我們以束腰為10mm的矩形孔徑準(zhǔn)直激光束為輸入,光束經(jīng)剪裁整形系統(tǒng)后輸出大小為160mm×10mm的長條光斑,光斑的輻射照度均勻度達(dá)到了93.2%。
[Abstract]:In order to simplify the system structure and improve the optical transmission efficiency , the laser shaping system is designed . A three - dimensional interactive optimization method is proposed to optimize the radiated illuminance uniformity of the target plane . The results show that the surface shape error of the shaping lens is improved by 5.6 % .

【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN249

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本文編號：1883889