【摘要】：激光光束能量一般呈高斯分布,這種能量非均勻分布的特性會(huì)導(dǎo)致材料在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生熱累積,影響加工效果的一致性,極大的限制了激光技術(shù)的發(fā)展。光束整形技術(shù)可以改變光束的形態(tài)及能量分布狀態(tài),可以有效地降低熱效應(yīng),提高加工質(zhì)量。本文研究了一種基于混合全息圖的光束形態(tài)及質(zhì)量控制方法,主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,總結(jié)了高斯光束和常見平頂光束的理論模型,分析了平頂光束在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的傳輸特性。研究了在無光闌限制的近軸ABCD光學(xué)的傳輸中,傳輸距離對(duì)對(duì)平頂光束能量分布狀態(tài)的影響。其次,根據(jù)液晶分子的電控雙折射效應(yīng)和相變效應(yīng)解釋了液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制原理。在分析了二元光柵、閃耀光柵以及正弦光柵的衍射特性后,對(duì)比了該光柵元件與液晶光柵的衍射特性區(qū)別,并作了適當(dāng)分析。根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)出了混合全息圖,同時(shí)對(duì)本文采用的基于混合全息圖的光束整形原理進(jìn)行說明。再次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過加載不同的混合全息圖,在衍射近場(chǎng)獲得任意形狀的平頂光束,有效的降低了邊緣衍射效應(yīng),并且在成像面0.5mm范圍內(nèi)重塑整形光束。重塑的整形光束在拋光不銹鋼樣品上的加工痕跡輪廓,與衍射近場(chǎng)的光束形狀一致。當(dāng)光柵周期為160μm時(shí),影響光束質(zhì)量的+1階衍射光束可以完全去除,同時(shí)在CCD相機(jī)中觀察到的光束局部能量比高達(dá)77.67%。通過對(duì)混合全息圖的動(dòng)態(tài)循環(huán)切換實(shí)現(xiàn)了25Hz不同形狀的動(dòng)態(tài)加工。最后,為了提高整形光束能量利用率,設(shè)計(jì)了二進(jìn)制灰度級(jí)光柵掩模以實(shí)現(xiàn)對(duì)整形光束的形狀和強(qiáng)度分布的精確控制。研究了不同光柵對(duì)整形光束質(zhì)量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)閃耀光柵周期為120μm時(shí),其對(duì)應(yīng)的局部能量比達(dá)到最高91.86%,同時(shí)光束的均勻性RMSE達(dá)到最低值0.039。以二進(jìn)制灰度級(jí)光柵掩模與周期為120μm的閃耀光柵結(jié)合的混合全息圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn),成功的獲得了整形效率為48%的平頂光束。
【學(xué)位授予單位】：湖北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O435
【圖文】：

圖 1.1 微透鏡陣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖射透鏡組學(xué)元件和微透鏡陣列系統(tǒng)雖然能完成對(duì)特定光束的整形，但是，無法隨著光束的改變靈活的調(diào)節(jié)透鏡的透過率函數(shù)。為了解勞倫茲利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室提出了雙折射透鏡組系統(tǒng)。該系統(tǒng)的不同，靈活的改變透鏡組的透過率。如圖 1.2 所示，該系統(tǒng)由鏡 L1、L2、L3、L4 和一個(gè)檢偏器 P 組成。L1 和 L4 為兩個(gè)完的平凸透鏡，L2 和 L3 為兩個(gè)完全相同的對(duì)稱放置的平凹透鏡于偏振光透鏡中心相當(dāng)于λ/2 波片，有效通光孔徑邊緣相當(dāng)于λ正好相反，中心相當(dāng)于λ/4 波片，有效通光孔徑邊緣相當(dāng)于λ/2 波時(shí)，控制光軸垂直于透鏡組的主軸方向，保持平凸透鏡 L1、L透鏡組 L2、L3 繞著光軸方向旋轉(zhuǎn)，通過改變對(duì)應(yīng)角度可以有效偏振態(tài)，經(jīng)過檢偏器 P 濾波后留下中心部分能量分布較均勻的

5圖 1.2 雙折射透鏡組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2.5 非球面透鏡組1965 年 Frieden 等人提出了非球面透鏡組整形系統(tǒng)，利用雙分離透鏡把入射的高斯光束整形為平頂光束。如圖 1.3 所示，該整形系統(tǒng)由平凹透鏡 L1 和平凸透鏡L2 組成。其整形原理為：高斯光束經(jīng)過平凹透鏡 L1 后在輸出面 P2 上形成發(fā)散的平頂光束，再經(jīng)過平凸透鏡 L2 的調(diào)制后變成平行出射的平頂光束。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)能量守恒原理，建立入射光與平凹透鏡 L1 和平凸透鏡 L2 的曲面幾何交點(diǎn)映射關(guān)系，以此確定激光在透鏡中折射方向余弦。由于折射方向余弦為平凹透鏡 L1 曲面 S1 的相位函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，因此可以得到曲面 S1 的相位函數(shù)。根據(jù)相位補(bǔ)償原理，可以進(jìn)一步求得曲面 S2 的相位函數(shù)。圖 1.3 非球面透鏡組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這種雙分離透鏡系統(tǒng)的整形效率很高

圖 1.2 雙折射透鏡組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5 非球面透鏡組1965 年 Frieden 等人提出了非球面透鏡組整形系統(tǒng)，利用雙分離透鏡把入射光束整形為平頂光束。如圖 1.3 所示，該整形系統(tǒng)由平凹透鏡 L1 和平凸透成。其整形原理為：高斯光束經(jīng)過平凹透鏡 L1 后在輸出面 P2 上形成發(fā)散光束，再經(jīng)過平凸透鏡 L2 的調(diào)制后變成平行出射的平頂光束。在設(shè)計(jì)時(shí)，量守恒原理，建立入射光與平凹透鏡 L1 和平凸透鏡 L2 的曲面幾何交點(diǎn)映，以此確定激光在透鏡中折射方向余弦。由于折射方向余弦為平凹透鏡 L11 的相位函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，因此可以得到曲面 S1 的相位函數(shù)。根據(jù)相位補(bǔ)償原理進(jìn)一步求得曲面 S2 的相位函數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2778678