激光光束勻光技術(shù)

李萬(wàn)敏 張玉紅

激光光束一般為能量非均勻分布的高斯光束，因能量非均勻分布將引起局部溫度過(guò)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。 因此，研究適合計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)整形光學(xué)系統(tǒng)的推廣具有現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)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。不同物理模型之間必有內(nèi)在的聯(lián)系，建立不同平頂光束等效關(guān)系，對(duì)研究平頂光束的傳輸特性具有指導(dǎo)意義。

一、激光光束勻光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)前景

在眾多的整形技術(shù)中，非球面透鏡組整形技術(shù)具有耐高溫、激光損傷閾值相對(duì)較高、加工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，必將在激光加工、激光焊接、光信息存儲(chǔ)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但是，傳統(tǒng)的非球面透鏡整形系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)需大量數(shù)學(xué)運(yùn)算，設(shè)計(jì)結(jié)果需要帶入現(xiàn)有的光學(xué)軟件中反復(fù)校驗(yàn)。不利于計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。開辟適應(yīng)于計(jì)算機(jī)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法是大勢(shì)所趨。目前非球面整形技術(shù)都是針對(duì)基模高斯光束進(jìn)行整形，而高功率激光器的模式大都比較復(fù)雜，研究復(fù)雜模場(chǎng)的整形技術(shù)，對(duì)于推廣非球面透鏡整形技術(shù)的應(yīng)用范圍，完善整形技術(shù)的理論具有重要意義。若充分利用平頂光特性，對(duì)于平頂光束物理建模及傳輸變換規(guī)律亦是激光技術(shù)的重要理論研究熱點(diǎn)。從傅里葉光學(xué)的角度講，激光在自由空間中傳輸滿足Kirchhoff-Fresnel衍射積分，其遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸特性轉(zhuǎn)化為Fraunhofer衍射積分，而Fraunhofer衍射等同于傅立葉變換。由于激光光束具有高斯函數(shù)的分布特性，而高斯函數(shù)的傅立葉變換仍然是高斯函數(shù)，故激光在自由空間中傳輸可以保持光強(qiáng)分布特性不變。對(duì)平頂光束做傅立葉變換，其分布形式發(fā)生變換，故平頂光束不能在自由空間保持長(zhǎng)距離傳輸，即平頂光束在傳輸較長(zhǎng)距離后，不再保持光束能量均勻分布的特性。通過(guò)研究平頂光傳輸特性，可以合理利用其能量均勻分布的區(qū)域，對(duì)于研究非球面整形系統(tǒng)的影響因素、以及整形系統(tǒng)的的改進(jìn)，提高整形作用范圍，實(shí)現(xiàn)平頂光束的工程化應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

綜上，本文旨在研究傳統(tǒng)基模高斯光束整形技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法，該方法適用于計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高運(yùn)算效率。

二、勻光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三、結(jié) 論

文中在分析傳統(tǒng)的基模高斯光束整形設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，開展了自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。傳統(tǒng)的高斯光束整形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，結(jié)果需反復(fù)校驗(yàn)，其工作比較繁瑣。

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，可以使研宄問題大為簡(jiǎn)化。不同物理模型之間必有內(nèi)在的聯(lián)系，建立不同平頂光束等效關(guān)系，對(duì)研究平頂光束的傳輸特性具有指導(dǎo)意義。

不同的平頂光模型有其具體應(yīng)用范圍，利用柯林斯公式研究平頂光束傳輸特性時(shí)，只有平頂高斯光束可以寫成解析解的形式，其他平頂光束模型只能借助數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行研究。

（作者單位：吉林建筑大學(xué)）