高斯光束整形系統的光學設計

2021-02-19 光行天下

摘要：研究了真實光線追跡優化光學系統的方法以簡化高斯光束整形系統的光學設計。理論分析了高斯光束整形原理，並選擇超洛倫茲函數作為平頂光分布函數；根據能量守恆原理，推導了高斯光束整形系統中任意光線在入射面與出射面 的坐標變換關係。針對該系統的特點，使用 Zemax 程式語言( ZPL)編寫計算坐標變換的 ZPL 宏指令，並優化設計了高 斯光束整形系統。最後,利用金剛石單點車削法加工該非球面光學系統，並利用光束分析軟體對系統的整形效果進行了測試。測試結果表明，利用該方法設計的非球面透鏡實現了高斯光束的整形變換，平頂光的均勻度為 87.1%。該方法 簡單實用，計算量小，可應用於實際工程設計。

關鍵詞：光學設計；非球面透鏡；光束整形；高斯光束；平頂光束；超洛倫茲函數 

1.引言

在雷射焊接、雷射加工及醫學等技術領域，雷射能量分布不均勻會導致局部溫度過高而破壞材料性能，影響雷射與物質相互作用的效果。由於雷射光束具有高斯型能量分布特徵，因此，需要通過光束整形將高斯光束轉換為能量均勻分布的平頂光束以消除溫度不均勻引起的不良效果。所謂光束整形是將輸入平面上光束的復振幅分布經光學系統調製後，變換為輸出平面上符合要求的光束復振幅分布的過程。光束整形技術有孔徑光闌整形、衍射光學元件(全息元件)整形、非球面透鏡整形及微透鏡陣列整形等。採用非球面透鏡系統是實現高斯光束整形的有效方法，同其它整形技術相比，非球面透鏡具有光能利用率高、耐高溫、光束易於控制等優點，特別適合於高功率雷射束的整形，具有廣泛的工程應用前景。

1965年，M.F.Frieden首次提出利用非球面透鏡將高斯光束轉化為平頂光束的方法。以後，F.M.Dickey等人對透鏡整形原理做了詳細研究。隨著研究的深入，非球面透鏡整形在理論上已趨於完善，不過受當時計算機技術和非球面加工技術的限制，80年代以前，非球面透鏡整形並未得到廣泛應用。近年來，非球面加工工藝的進步為非球面整形技術帶來了嶄新的活力。目前，非球面整形系統已應用於雷射加工和雷射焊接領域。為進一步簡化高斯光束整形系統的光學設計，本文研究了利用Zemax軟體設計高斯光束整形系統的方法，並藉助Zemax軟體的宏語言(ZPL)功能實現了系統的自動優化。該方法簡單，計算量小，具有實用價值。

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