二元光学元件在激光光束整形中的应用研究

论文摘要

激光技术在当代社会的多个领域得到了广泛应用,以其为基础的激光测距机和激光测照器在尖端工业和军事中起着重要作用。激光测照器的核心部件是激光发射装置,需通过激光整形向目标持续稳定地发射激光,而目前激光发射装置发射光束的均匀性较差,且其光学系统不符合小型化要求,因此本文采用二元光学理论对激光发射光学系统的小型化进行研究,使得发射激光束满足准直性和均匀性的同时,实现激光发射光学系统的小型化。为了实现激光测照器发射装置光学系统的小型化,本文设计了包括4倍球面扩束系统、反射镜和二元光学元件组的激光束整形系统。首先利用4倍球面扩束系统对特定束腰大小的激光束进行扩束,改变激光束的发散角和直径,以便与后续的整形二元光学元件组匹配。其次,基于标量衍射理论,建立了包括初始相位选取和振幅调整的改进GS算法数学模型,并利用改进GS算法设计了匀化二元光学元件和准直二元光学元件,从而得到性能优异的二元光学元件。然后根据光功率恒定以及几何光线传播理论,建立了光束整形的目标函数,确立了伽利略式的二元光学元件组结构,并在ZEMAX中开发应用程序设计了基于二元光学元件的激光束整形系统,以此实现对系统的整体设计和评判。最后搭建了整形光束测量系统,并通过CMOS法及图像处理实现整形激光束参数的测量。本文设计的激光束整形系统光学结构为:42mm×36mm×36mm,且发射激光束的均匀度为96.2%,半发散角为0.25mrad。当以光斑半径1.5mm、半发散角2.44mrad、光脉冲能量60mJ的调Q的1064nm YAG固体激光器为整形系统的光源时,实验测得发射激光束均匀度为80.15%,半发散角为0.31mrad,光脉冲能量为46.71mJ。激光束整形系统的光学结构小、发射光束质量稳定,为二元光学元件在激光光束整形中的应用提供了理论指导。

论文目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 激光束整形技术的研究现状

1.2.1 激光束准直研究现状

1.2.2 典型的激光束整形方法

1.3 二元光学概述

1.4 本文的主要内容及章节安排

1.4.1 本文的主要内容

1.4.2 本文的章节安排

1.5 本章小结

2 设计理论及系统总体设计

2.1 整形系统的设计原理

2.1.1 扩束系统的设计原理

2.1.2 标量衍射理论

2.2 典型的二元光学元件设计算法

2.3 整形系统的总体设计思路

2.4 整形系统的总体设计

2.4.1 整形方法选择

2.4.2 系统参数计算

2.4.3 扩束系统的光学设计

2.5 本章小结

3 基于改进算法的二元光学元件设计

3.1 改进算法的数学模型建立

3.1.1 初始相位选取模型

3.1.2 振幅调整模型

3.2 二元光学元件设计

3.2.1 匀化二元光学元件的设计

3.2.2 准直二元光学元件的设计

3.3 二元光学元件的评价

3.3.1 光能利用率

3.3.2 均方误差及均匀度

3.4 本章小结

4 基于二元光学元件的激光束整形系统光学设计

4.1 设计理论

4.1.1 二元光学面设计理论

4.1.2 高斯光束整形理论

4.2 整形系统的设计

4.2.1 宏程序

4.2.2 单个匀化元件设计

4.2.3 系统的整体设计

4.2.4 元件面形分析

4.3 系统评价

4.4 本章小结

5 整形系统实验及分析

5.1 激光器光束的参数测量

5.1.1 激光束参数测量理论

5.1.2 测量原理及构成

5.1.3 数据采集与处理

5.2 整形激光束的参数测量

5.2.1 整形系统搭建

5.2.2 参数测量

5.3 实验分析

5.3.1 结果分析

5.3.2 误差分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文工作的结论

6.2 论文工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贾颖娟

导师: 于洵

关键词: 激光束整形,准直及匀化,光学系统小型化,二元光学元件组

来源: 西安工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,仪器仪表工业,无线电电子学

单位: 西安工业大学

分类号: TN249;TH74

DOI: 10.27391/d.cnki.gxagu.2019.000281

总页数: 80

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