应用于激光辐照的大功率激光光束传输与整形的方法研究

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在当前的激光应用中,平顶激光束的应用很广泛。应用激光光束变换系统,将高斯分布的激光光束经过整形聚焦后变为激光的能量分布是均匀分布(即平顶光束)来满足现代激光的应用是非常必要的。本论文在总结了现有的光束变换方法的基础上,基于实验室的现有条件,提出了两种光束整形方案,分别为折射式和反射式。此两种光束变换方法,能够将高斯光束变换为均匀分布的平顶光束。将变换后的平顶光束用来进行陶瓷材料的辐照实验研究,进一步验证光束变换的效果。  本文所涉及的光束整形方法主要有反射式和折射式两种。反射式光束变换方法最核心的部分是反射式整形镜。该反射式整形镜是基于球面反射镜的一个设计。对球面反射镜进行调整,利用不同的短线段来代替球面镜的弧面,对球面反射镜的反射面进行分割,已达到光线反射后的重合,实现均匀分布。利用几何光学的基本理论推导了用于激光光束变换的反射式整形镜的光束变换系统的设计原理及其理论计算公式。在此基础上使用SOLIDWORKS和ZEMAX软件设计并模拟了该光束变换光学系统。经过理论的分析和ZEMAX软件的模拟,光束变换效果良好。另外一种折射式整形系统的核心是折射式整形镜,分析了其整形原理,与反射式整形类似,运用ZEMAX软件进行了模拟仿真,光束变换效果良好。  应用以上的反射式光束变换方法进行实验验证。搭建了实验装置,通过对指示光的光斑形状进行了观察和分析,发现光束变换效果良好,在设计的聚焦平面上能够形成比较好的聚焦光带,基本符合理论的设计。最后利用所设计的这套反射式整形系统的实验装置对陶瓷材料进行了辐照实验,光束变换后的激光的辐照效果相比之前的原始激光束有了很大的改进,陶瓷表面的受热更加均匀,说明变换后的光斑具有较好的均匀度,具有较好的工艺效果,此光束变换系统可有效地解决陶瓷表面的改性问题。
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