自由曲面激光光束整形系统设计

激光光束一般为高斯光束，其发光强度呈高斯分布，中心发光强度极强，四周发光强度相对较弱，能量分布很不均匀，这一特性使得激光并不能直接应用。特别是在激光加工、激光焊接等技术领域，激光光束能量非均匀分布将直接导致材料局部温度过高而破坏材料特性。图10-1为采用普通激光光束和均匀激光光束分别对材料表面进行处理的效果对比图，由图可知，采用均匀激光光束处理过的表面更为平滑。图10-2为利用普通激光光束和均匀激光光束分别进行激光焊接作业的效果对比，由图可知，采用普通激光光束进行焊接，焊缝较为粗糙。综上所述，激光光束能量呈高斯分布的特性极大地限制了其应用，因此需要将激光光束整形为能量均匀分布的光束来消除因能量不均匀可能产生的不良影响，从而扩展激光在更多领域中的应用。

图10-1 激光处理材料表面图

a）普通激光光束处理的结果 b）均匀激光光束处理的结果

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图10-2 激光焊接效果对比

a）普通激光光束焊接效果 b）均匀激光光束焊接效果

目前，典型的激光光束整形方法有衍射光学元件、非球面透镜组、双折射透镜组、微透镜阵列、液晶空间光调制器以及自由曲面光学系统等。其中自由曲面光学系统具有设计自由度高、光学系统结构简洁、可同时控制波前和有效实现辐照度均匀等诸多优点。随着光学加工技术的提升，自由曲面加工成本也在逐渐下降，因此该方法在激光整形方面将有着广泛的应用前景。本章将介绍用于激光光束整形的自由曲面光学系统设计。设计的整形系统结构紧凑，成本较低，系统可用于显示器面板退火加工。