激光光束匀光技术的研究

李万敏   吉林建筑大学

张玉红   吉林建筑大学

激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用，进而限制了其应用。因此，需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束，以消除能量不均引起的不良效果。 因此，研究适合计算机软件自动优化设计的方法对整形光学系统的推广具有现实意义。通过研究平顶光束的传输规律，可以有效利用平顶光束的能量均匀分布特性，改善高斯光束整形系统的性能。常见的平顶光束模型有超高斯光束、平顶高斯光束、费米-狄拉克光束、超洛伦兹光束及平顶洛伦兹光束。不同物理模型之间必有内在的联系，建立不同平顶光束等效关系，对研究平顶光束的传输特性具有指导意义。

一、激光光束匀光技术的发展现状和未来前景

在众多的整形技术中，非球面透镜组整形技术具有耐高温、激光损伤阈值相对较高、加工工艺成熟等优点，具有重要的工程应用价值，必将在激光加工、激光焊接、光信息存储等技术领域发挥重要作用。但是，传统的非球面透镜整形系统参数的设计需大量数学运算，设计结果需要带入现有的光学软件中反复校验。不利于计算机软件自动优化设计。开辟适应于计算机软件优化设计的方法是大势所趋。目前非球面整形技术都是针对基模高斯光束进行整形，而高功率激光器的模式大都比较复杂，研究复杂模场的整形技术，对于推广非球面透镜整形技术的应用范围，完善整形技术的理论具有重要意义。若充分利用平顶光特性，对于平顶光束物理建模及传输变换规律亦是激光技术的重要理论研究热点。从傅里叶光学的角度讲，激光在自由空间中传输满足Kirchhoff-Fresnel衍射积分，其远场传输特性转化为Fraunhofer衍射积分，而Fraunhofer衍射等同于傅立叶变换。由于激光光束具有高斯函数的分布特性，而高斯函数的傅立叶变换仍然是高斯函数，故激光在自由空间中传输可以保持光强分布特性不变。对平顶光束做傅立叶变换，其分布形式发生变换，故平顶光束不能在自由空间保持长距离传输，即平顶光束在传输较长距离后，不再保持光束能量均匀分布的特性。通过研究平顶光传输特性，可以合理利用其能量均匀分布的区域，对于研究非球面整形系统的影响因素、以及整形系统的的改进，提高整形作用范围，实现平顶光束的工程化应用具有指导意义。

综上，本文旨在研究传统基模高斯光束整形技术的基础上，开发新的设计方法，该方法适用于计算机软件自动优化设计，减小设计环节，提高运算效率。

二、匀光系统设计

利用ZEMAX软件对高阶拉盖尔--高斯光束整形系统进行自动优化设计。

以 阶高斯光束为例，设入射光及出射光光束尺寸为：

= 2,  = 4。

结构参数如表1-2所示及表1-3，设计结果图1-1所示：其中，图1-1(a)为系统结构图，图1-1(b)为输入光束的能量分布，图1-1(c)为输出光束的能量分布。

表1-2系统的结构参数

 表1-3系统的非球面系数

(a)系统结构图

(b)拉盖尔-高斯光束能量分布

(c)平顶光束能量分布

三、结    论

文中在分析传统的基模高斯光束整形设计方法的基础上，开展了自动优化设计方法的研究。传统的高斯光束整形光学系统设计过程复杂，结果需反复校验，其工作比较繁琐。

在研究平顶光束的整形技术和传输特性时，选择合适的平顶光束模型，可以使研宄问题大为简化。不同物理模型之间必有内在的联系，建立不同平顶光束等效关系，对研究平顶光束的传输特性具有指导意义。

不同的平顶光模型有其具体应用范围，利用柯林斯公式研究平顶光束传输特性时，只有平顶高斯光束可以写成解析解的形式，其他平顶光束模型只能借助数值计算的方法进行研究。