利用伽利略扩束系统实现激光束空间整形

为实现高功率激光束空间整形,需要设计一套伽利略型整形扩束系统,根据P.W.Rhodes等人基于几何光学原理导出的系统理论模型,采用龙贝格数值积分算法得到40组描述非球面的数据,非线性最小二乘法拟合数据,获得两个非球面矢高解析式,并用光学软件对束腰8mm的入射基模高斯光束进行了空间整形仿真模拟,结果表明可以获得直径25mm的平顶光束输出。利用该镜头对不同束腰高斯光束进行整形仿真,结果表明当束腰大于8mm时,光束整形效果尚可;但当束腰小于8mm时,整形效果随束腰减小而变差。     

基于ZEMAX的激光高斯光束匀化设计

文章基于ZEMAX光学软件设计一套激光光束匀化光学系统,用于将激光高斯光束转化为平顶光束。从理论分析人手,在ZEMAX软件环境下,编写Macro命令,通过系统优化,完成出射激光束光强分布均匀化,满足系统设计要求。     

非球面伽利略扩束系统实现激光束空间整形

为实现高功率TEA CO2激光束空间整形,需要设计一套非球面伽利略型整形扩束系统,将束腰8mm的基模高斯光束整形扩束到直径25mm.根据基于几何光学原理导出的系统理论模型,采用龙贝格数值积分算法得到40组描述非球面的数据,非线性最小二乘法拟合数据,获得两个非球面矢高解析式.为验证所设计镜头的光束空间整形效果,用光学软件ZEMAX对束腰8mm的基模高斯光束进行了整形仿真,光线光路追迹结果与理论设计吻合.仿真整形结果表明,可以获得直径25mm的平顶光束,出射波面面形峰谷值误差25个波长,输出基本为平行光.这为进一步工程应用作了必要准备.     

非球面透镜组激光光束整形系统

在激光显示等领域常常需要光强均匀分布的激光光束,为此,深入分析了一种非球面透镜组激光光束整形系统的设计方法,该方法可以将入射光束为准直的单模高斯激光光束整形为光强均匀分布的准直平顶激光光束;给出了该非球面透镜组设计的基本过程,主要包括输出光束函数的选择、光线映射函数的确定和非球面参数的确定;最后选择光线映射函数具有解析解形式的匀化洛伦兹函数作为输出光束分布函数,分别确定了伽利略型和开普勒型的非球面透镜组激光光束整形系统的参数。     

高功率光纤激光焊接铝合金焊缝成形特征研究

为了探究铝合金高功率光纤激光焊接焊缝成形特征与规律,采用高斯光束与平顶光束对3mm厚5052铝合金进行激光对焊,对比分析了不同光束模式下的焊缝成形特征与激光功率、扫描速率对焊缝成形的影响。结果表明,平顶光束焊接主要为热导模式,熔池呈U型,易产生气孔、裂纹等缺陷; 高斯光束焊接有4种模式,随着激光功率和扫描速率的变化,4种模式相互转化,深熔焊模式下,熔池形貌呈“丁字”型; 扫描速率为20mm/s时,高斯光束有效深熔焊的下、上临界功率密度分别为8.8×105W/cm2和9.2×105W/cm2; 激光功率为2.7kW时,高斯光束有效深熔焊的下、上线能量分别为77J/mm和90J/mm; 在满足深熔焊所需功率密度条件下,线能量可作为激光深熔焊接的一个判据,线能量和功率密度对焊接模式与熔池形貌共同起决定性作用。     

激光标线器非球面柱透镜设计

针对基模能量高斯分布造成的激光标线器线斑能量分布不均匀的问题，提出了一种非球面柱透镜的解决方法。该方法不同于传统的旋转对称整形系统的设计，属于非对称整形系统的设计范畴。根据光束传输的能量分配守恒法则和折射定律建立方程组，通过数学软件数值求解方程组，解得非球面矢高表达式。光学软件模拟表明，所设计的非球面柱透镜能使线斑能量均匀分布，工作距离范围宽，不仅适用于准直入射高斯光束，而且适用于会聚入射高斯光束。     

利用单片非球面透镜实现激光束整形

在非球面透镜组进行激光束整形的技术基础上,设计了应用于TEA CO2激光光束整形的单片非球面镜光束整形系统.基于几何光学原理,利用能量守恒定律和等光程条件进行系统理论模型求解.通过使用龙贝格数值积分和非线性最小二乘法,获得非球面透镜前后两面的矢高.最后,通过光学设计软件ZEMAX进行系统性能优化,并对其可加工性进行了分析.实验结果表明,出射光束的光程差(OPD)为±0.01λ,峰谷值误差为0.0002λ,输出基本为平行光.该方法能有效避免双分离透镜结构系统的筒长过长、不易调节的弊端,使器件结构变得简单,便于加工装调.     

新颖的光束整形光学系统扩大了准分子激光器的应用范围

准分子激光器在紫外波段发出的高脉冲能量和高平均功率的光束具有极好的稳定性，因此在诸多工业和科学研究领域的应用范围不断扩大。然而，大多数准分子激光器产生的矩形光束必须通过光学系统再整形方能满足激光加工的需要。由于准分子激光器输出光束的形状和强度分布不能用简单的光学系统进行变换，为此德国Lambda Physik公司开发了一种准分子激光束再整形用光学系统以满足各种应用的要求，如平板显示器制造中的硅退火和用光掩模写入的微细加工等。     

基于双轴锥镜的环形激光束整形

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量,提高发射光学系统口径的利用率,采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法,通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上,设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置,针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验,取得了与理论分析一致的数据。结果表明,采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量,光束束腰直径由45mm减小为32mm,光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。     

高斯光束整形非球面透镜的粒子群优化设计方法

提出了一种设计激光光束整形系统的新方法粒子群优化算法。根据能量守恒定律,推导出光束整形系统中任意光线与入射面和出射面交点坐标之间的变换关系,并把用此变换关系得到的光线与出射面的交点坐标作为目标值。把追迹光线在输出面上的交点坐标与目标值差的绝对值作为光束整形系统的能量分布变换评价函数,把出射光线方向矢量的y分量绝对值作为准直评价函数,并将能量分布变换评价函数与准直评价函数的和作为光束整形变换系统的总评价函数,依此函数作为粒子群算法中的适应度函数,对适应度函数进行极小值操作,便可得到了一个既能把光强高斯分布转换为光强均匀分布,又能近似实现光束重新准直的非球面整形透镜系统。用这种方法设计了一个单非球面凹平透镜,可以把光强高斯分布、光斑半径30 mm的红光激光光束整形为光强均匀分布、光斑半径为36 mm的平顶光束,且准直出射。证明这种设计方法简单有效。     

基于ZEMAX的半导体激光器匀光设计

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求,基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直,得到近似高斯圆光斑;在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上,利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组,在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时,实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计,满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明,该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。     

振幅调制高斯光束的聚焦特性及焦深

为了研究在不同数值孔径情况下振幅调制高斯光束的聚焦特性和焦深,采用基于德拜近似条件的矢量衍射理论进行了计算和数值模拟。模拟结果显示,在低数值孔径的光学系统中,焦平面上的光强分布呈圆形;而在高数值孔径的光学系统中,由于存在去偏振效应,光强的分布呈椭圆形分布。结果表明,可以通过改变几何参量和高斯光束的振幅调制参量的幂指数n调节焦点大小和焦深。     

激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

探讨了主动式激光侦察告警系统入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离对出射高斯光束准直倍率的影响.在满足入射高斯光束腰斑与望远镜副镜的距离远大于望远镜副镜的焦距的条件下,望远镜主镜的焦距与望远镜副镜的焦距的比值越大,出射高斯光束的准直效果越好.在不满足入射高斯光束的腰斑与望远镜副镜的距离远大于副镜的焦距的条件下,仿真分析了望...     

高功率半导体激光堆栈双波长合束及聚焦系统

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈,为适应半导体激光在材料加工方面的需求,设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先,利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直,然后,用双波长合束镜将其合束。进而,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直,最终,用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析,并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹,得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟,开展相应实验。经合束和聚焦,实现焦距300 mm,焦点尺寸2.0 mm4.0 mm的聚焦光斑,输出功率5 000 W,功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆,表面处理等工艺。     

应用Collins公式和像差的Zernike展开分析激光光束在实际光学系统传输特性

在Collins公式基础上,将像差项用Zernike多项式展开后加入衍射积分,获取实际激光光束通过光学系统后的光强分布.对相关理论进行仿真,验证了理论的正确性.同时针对实际激光聚焦光学系统,从统计规律角度分析了系统公差引入对Gaussian光束聚焦光斑带来的影响.计算结果表明聚焦光斑总体随波像差RMS值增大而增大,不同像差分布形式对聚焦光斑特性影响较大.未分配系统公差时,激光聚焦光斑半径为1.520 mm;引入系统公差后,聚焦光斑半径有90%概率小于2.085 mm,平均值为1.700 mm,偏差为0.238 mm.     

球差透镜对超高斯光束光束质量影响的研究

根据束宽的传输方程,采用双曲线拟合的方法,计算了超高斯光束通过球差透镜后的M2因子。同时还研究有球差的超高斯光束在透镜几何焦面和实际焦面上的桶中功率(PIB)。以M2因子和PIB作为光束质量评价的参数,进行了详细的数值计算来说明球差对超高斯光束光束质量的影响,并与有球差的高斯光束做了比较。得出了一些有实际应用意义的结果。     

大功率扩散冷却型Slab CO2激光器光束质量的研究

本文对国际上最新的大功率扩散冷却型Slab CO2激光器的光束质量进行了全面的测量与实验研究.从原始激光束的光束质量、通过导光系统后激光束质量、聚焦光斑的质量以及焦点漂移四个方面全面考察了Slab CO2激光器的光束质量以及光束的传输、聚焦特性.结果表明,Slab CO2激光器具有高光束质量,其M2因子非常接近1的理想值;激光束具有良好的传输和聚焦性能,可以长距离传输;使用焦距为300mm的聚焦镜聚焦,聚焦光斑的束腰半径约为134μm,光束横截面能量分布接近理想的高斯分布,焦深约为5mm,在加工范围内(3m),激光束的焦点漂移量大约为1mm.另外,采用Slab CO2激光器对厚度为10mm的低碳钢在不同的离焦位置进行激光深熔焊接实验,讨论了激光光束质量和焦深对焊接结果的影响.     

应用于高能激光系统的发射聚焦装置研究

为了满足当前高能激光系统的工程应用需求,设计了针对高能激光聚焦的发射聚焦装置。首先选取了折反式二级扩束光学系统作为设计模型,然后利用光学设计软件序列模式对光学系统进行了设计优化,获得了平面波光束在不同距离聚焦的设计结果。其次由于平面波光束和高斯光束在调焦量上存在差异,通过矩阵光学理论计算了针对高斯光束聚焦的调焦修正量,并利用光学设计软件非序列模式重构光学系统,并以非相干空间合束的高斯光束作为入射光,进行了高能激光的传输聚焦仿真验证。在系统参数一致的条件下,与常规的离轴反射式光学系统进行对比。对比结果证实了本文设计的光学系统光学性能优良,可满足对入射高能激光在0.5~5 km范围内聚焦,最后开展的样机实验也验证了设计的正确性和合理性。