高斯光束整形技術(shù)研究.pdf

1、激光光束一般為能量非均勻分布的高斯光束，因此，在諸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物醫(yī)學(xué)工程以等技術(shù)領(lǐng)域，因能量非均勻分布將引起局部溫度過高而影響激光與物質(zhì)間的相互作用，進(jìn)而限制了其應(yīng)用。因此，需要將高斯光束整形成為能量均勻分布的平頂光束，以消除能量不均引起的不良效果。
　　目前，已發(fā)展了非球面透鏡組整形法、衍射光學(xué)元件法、長焦深元件法、液晶空間光調(diào)制法以及自聚焦透鏡法等多種技術(shù)。在眾多整形技術(shù)中，非球面整

2、形技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、損傷閾值高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)非球面整形系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，需進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)效果不易得到驗(yàn)證。因此，研究適合計(jì)算機(jī)軟件自動優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對整形光學(xué)系統(tǒng)的推廣具有現(xiàn)實(shí)意義。尤其把整形的對象由基模高斯光束擴(kuò)展到高階模高斯光束，可進(jìn)一步完善非球面系統(tǒng)整形技術(shù)的理論。
　　同時(shí)，平頂光束在自由空間中傳輸時(shí)，由于衍射效應(yīng)導(dǎo)致能量非均勻分布，對于平頂光束傳輸變換亦是激光技術(shù)的重要理論研

3、究熱點(diǎn)。通過研究平頂光束的傳輸規(guī)律，可以有效利用平頂光束的能量均勻分布特性，改善高斯光束整形系統(tǒng)的性能。常見的平頂光束模型有超高斯光束、平頂高斯光束、費(fèi)米.狄拉克光束、超洛倫茲光束及平頂洛倫茲光束。在研究平頂光束的整形技術(shù)和傳輸特性時(shí)，選擇合適的平頂光束模型，可以使研究問題大為簡化。不同物理模型之間必有內(nèi)在的聯(lián)系，建立不同平項(xiàng)光束等效關(guān)系，對研究平頂光束的傳輸特性具有指導(dǎo)意義。
　　本文主要開展了利用非球面透鏡進(jìn)行高斯光束整形的方

4、法及平頂光束傳輸特性的研究，其具體內(nèi)容如下：
　　1)在分析傳統(tǒng)基模高斯光束整形方法的基礎(chǔ)上，研究了基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX自動優(yōu)化基模高斯光束整形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)能量守恒原理，采用平頂洛倫茲光束作為平頂光束的物理模型，推導(dǎo)出任意光線在入射面與出射面的映射函數(shù)關(guān)系式。借助光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX的編程語言編寫ZPL宏指令，自動優(yōu)化設(shè)計(jì)了高斯光束整形系統(tǒng)。
　　2)推廣了非球面透鏡整形技術(shù)的應(yīng)用范圍。研究了直角坐標(biāo)系下的高

5、階厄米特-高斯光束和極坐標(biāo)系下的拉蓋爾-高斯光束的整形方法，分別采用費(fèi)米.狄拉克光束及平頂洛倫茲光束作為平頂光束的物理模型，推導(dǎo)了高階厄米特-高斯光束及拉蓋爾-高斯光束的映射函數(shù)關(guān)系式，并設(shè)計(jì)了高階模高斯光束的整形系統(tǒng)。
　　3)研究了平頂光束傳輸特性及不同平頂光束模型之間的等效變換，探討了影響平頂光束傳輸特性的因素，對高斯光束整形系統(tǒng)加以改進(jìn)。利用形狀匹配因子和M2因子探討不同平頂光束模型的等效關(guān)系。
　　4)根據(jù)上述理論