高功率激光加工中光束聚焦的分析和模拟

在高功率激光加工应用中,不同的加工形式对激光光束的聚焦性能要求不同,因而采取的聚焦方式也不一样.研究介绍了高功率激光加工中激光光束聚焦的几种常用方式,包括透镜聚焦、球面镜反射聚焦和离轴抛物面镜反射聚焦.系统地分析了这几种聚焦方式各自的优缺点及其应用领域,并且对这几种聚焦方式进行了模拟分析,形象、直观地反映出各种聚焦方式的聚焦效果.     

三次反射激光聚焦系统的设计与实现

基于激光推进推力矢量控制,提出、设计并加工了一种三次反射激光聚焦系统。指出了一次反射尖锥面、二次反射环锥面和三次反射高次曲线环面的设计方法,说明了聚焦系统的加工工艺和安装调试过程,并进行了聚焦特性的测量实验。结果表明,脉冲CO2激光功率密度经三次反射激光聚焦系统达到空气击穿阈值,实验中观察到等离子体发光现象。不同设计条件下聚焦形状不同,其聚焦相对位置在一定范围内可调节。     

激光聚焦非球面透镜设计

本文论述激光聚焦光学系统的设计特点，介绍用等光程原理设计激光聚焦非球面透镜的方法及实例。     

基于一致聚焦的宽带信号波达方向估计

MTLS聚焦需要预估计波达方向,预估计偏差会影响聚焦效果,严重时会导致CSM算法失效。基于AMI思想构造了CMTLS一致聚焦变换,该聚焦变换无需预估计波达方向,提高了聚焦性能的同时,增强了算法的实时性。     

激光推进环聚焦数值模拟研究

设计了激光推进环聚焦系统,在考虑入射激光束与光船聚焦系统主轴偏离情况下,建立研究环聚焦性能的数学模型,并数值模拟研究了环形"点火"线的形状、大小、能流密度以及点火区域空间特性.数值分析结果表明:环聚焦系统在喷管内产生半径约为49 mm的环状点火区域,比点聚焦产生的点状点火区域要大一个数量级,从而使吸收室内工质加热更加均匀;当激光束从垂直入射到偏离入射变化时,聚焦能量不再均匀地分布在圆形环线上,而是向x轴聚积,整个点火区域呈扁环状,因此,近椭圆柱状喷管设计将极大地提高激光能量转换效率.     

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。     

高斯光束聚焦光学系统研究

研究了高斯激光经过失调望远镜系统聚焦的特点。通过改变失调望远镜系统两透镜间距获得不同距离处的小光斑,推导出了它们之间的关系式,为聚焦参数的计算提供了方便的计算依据。分析了工程应用中应考虑的失调望远镜系统的装配尺寸的限制和装调误差影响等问题,提出了在确定的聚焦要求下,选择聚焦光学系统参数的方法。     

动态激光聚焦光学系统仿真设计

由激光空间与时间的高度集中性,可通过光学聚焦在目标处形成极小的具有极高峰值功率密度的光斑,从而获得对目标良好的毁伤效果。常见的户外激光设备作用距离远近不一,很难保证同一个光学系统在各个不同距离处达到最佳聚焦打击效果,本文针对常见的30～300 m处的目标,结合ZEMAX光学软件,采用反摄远型光学结构,对各个目标距离进行精确聚焦,系统在各聚焦位置皆达到了衍射极限。在衍射极限光学系统下,进行POP物理光学分析,分析结果与理论设计目标相符。最后进行了热仿真,计算了温度20～70℃条件下,聚焦系统性能的变化情况。     

多棱镜激光扫描非球面透镜聚焦系统研究

为了提高激光打孔生产质量和降低生产成本,提出了一种多棱镜旋转扫描非球面透镜聚焦在线打孔方案。系统将CO2激光器发出的连续光束经光调制器入射在多棱镜的其中一个表面上,光束经过反射依次扫入聚焦透镜组中。由于轴外像差和扫描速度失真会引起聚焦光斑的线性畸变,从而导致打孔形状的变化,通过选取非球面透镜对光束整形,在聚焦同时调整聚焦光斑的形状以控制打孔的形状。结果表明,在扫描系统中线性误差可控制在0.5%内,打孔大小形状满足生产要求,与传统激光打孔方式相比,提高了打孔的质量与效率。     

电磁聚焦成象系统中带不饱和磁铁聚焦磁场的约束逆设计

本文对电磁聚焦成像系统中带不饱和磁铁的聚焦磁场的逆设计进行了探讨,用约束优化方法——内罚函数法来设计能实现给定磁场分布的实际磁聚焦线圈系统。     

光楔列阵线聚焦系统的研制

报道七单元光楔列阵线聚焦系统的设计原理和焦线特性的测试结果。     

高功率激光加工中光束的转换、聚焦和整合

介绍了一种能合理利用激光器连续工作能力的三工位光路转换装置;分析了透射聚焦和反射聚焦的优缺点及其应用领域,其中反射聚焦中分析了球面镜反射聚焦和离轴抛物面反射聚焦两种形式;最后简要介绍了能量均匀分布的线形光斑和矩形光斑的整合方式。     

激光微束仪的激光聚焦系统研究

提出一种新的激光聚焦系统，它由一个空间滤波系统和８０×聚焦物镜组成，后者为一个双反射式球面系统。用这个激光聚焦系统，激光微束仪能获得直径小于０．５～１μｍ的聚焦光斑。光斑尺寸和空间滤波系统的针孔光阑直径有关。     

共聚焦激光扫描显微镜系统及其在生物学研究中的应用

本文介绍了共聚焦激光扫描显微镜系统的工作原理及其优良性能。文中还介绍了利用此系统进行两种动物视觉显微结构的三维重建和定量分析。     

紧聚焦强激光脉冲中电子的非对称性辐射

为了获得紧聚焦脉冲激光作用下电子的辐射特性,采用非线性Thomson散射理论和线偏振紧聚焦激光脉冲与单电子的相互作用模型,利用MATLAB完成数值模拟,获得了电子的运动特性、不同观测角度下的功率与能量分布,以及最大辐射方向上的功率与能量.结果表明,与平面波激光脉冲作用下的非线性Thomson散射现象相似而又不同,在紧聚...     

透镜聚焦数控激光切割机聚焦光束方向研究

研究了数控激光切割机在进行金属板切割时激光束经凸透镜聚焦的聚焦光束传播方向的偏转问题。找出了当激光束中心入射线与聚焦镜(凸透镜)光轴异面时影响聚焦光束方向的几个入射物理量,并运用几何光学原理给出了聚焦光束方向与它们之间的关系式,同时提出了一个调节聚焦光束方向并使聚焦光束垂直于待切割板材板面的方法。切割实验表明,在一定的调节范围内,采用此方法可以方便地调整聚焦光束方向。这一方法也适用于其他采用透镜聚焦的激光加工设备,并为此类设备的聚焦光束方向调节设计提供了一个新的选择和依据。     

基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

为了解决石油输送管道Al₂O₃陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al₂O₃陶瓷激光焊接要求。     

激光侦听系统的自动聚焦优化实现

针对激光侦听系统在远距离工作时由于激光的固有发散角导致目标处光斑过大,造成接收信号质量较差的问题,采用对发射激光进行自动聚焦以优化系统侦听性能的方法。基于Altera公司的Cyclone IV系列FPGA开发平台,结合测距模块与电动变焦镜头,实现了激光自动聚焦功能。利用数字图像相关法对接收散斑图像序列进行计算,从而获取目标语音信号,并将其与原始语音信号进行频谱相似度计算以衡量侦听性能。实验结果表明,通过自动聚焦使激光的光束发散角减小为原来的0.23%～0.28%(0～40 m),相较对照系统而言,有效侦听距离增加了200%～400%,侦听性能得到了显著提升。     

激光打标机聚焦性能的优化设计

一般动态聚焦打标机在聚焦镜前加一套准直扩束系统,随扫描振镜的转动,同步调整准直扩束系统的位置,使激光束始终聚焦在打标平面上。但对更大幅面,聚焦效果不够理想,边缘部分比较模糊。为了适应更大幅面的打标,在原准直扩束系统的基础上,设计了动态准直扩束系统,通过优化设计准直扩束系统的运动轨迹,进一步提高了聚焦性能。经优化后的聚焦指标性能提高了20%,实现了小光斑、大范围的激光打标。同时利用多项式对扩束镜的轨迹进行拟合,提高打标速度,并利用分段线性插值查找表的方法对边缘部分的枕形失真进行校正。经装机测试,该系统打标效果好,能满足使用要求。     

激光快速成型机中的动态聚焦系统分析

本文分析了激光快速成型机中扫描系统的误差和动态聚焦系统对误差的校正机理，得到了动态焦距变化公式，焦点位置的变化曲线和激光束通过动态聚焦系统的变换规律。