激光光束勻光技術

李萬敏 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高而影響激光與物質間的相互作用，進而限制了其應用。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，研究適合計算機軟件自動優化設計的方法對整形光學系統的推廣具有現實意義。通過研究平頂光束的傳輸規律，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在的聯系，建立不同平頂光束等效關系，對研究平頂光束的傳輸特性具有指導意義。

一、激光光束勻光技術的發展現狀和未來前景

在眾多的整形技術中，非球面透鏡組整形技術具有耐高溫、激光損傷閾值相對較高、加工工藝成熟等優點，具有重要的工程應用價值，必將在激光加工、激光焊接、光信息存儲等技術領域發揮重要作用。但是，傳統的非球面透鏡整形系統參數的設計需大量數學運算，設計結果需要帶入現有的光學軟件中反復校驗。不利于計算機軟件自動優化設計。開辟適應于計算機軟件優化設計的方法是大勢所趨。目前非球面整形技術都是針對基模高斯光束進行整形，而高功率激光器的模式大都比較復雜，研究復雜模場的整形技術，對于推廣非球面透鏡整形技術的應用范圍，完善整形技術的理論具有重要意義。若充分利用平頂光特性，對于平頂光束物理建模及傳輸變換規律亦是激光技術的重要理論研究熱點。從傅里葉光學的角度講，激光在自由空間中傳輸滿足Kirchhoff-Fresnel衍射積分，其遠場傳輸特性轉化為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的分布特性，而高斯函數的傅立葉變換仍然是高斯函數，故激光在自由空間中傳輸可以保持光強分布特性不變。對平頂光束做傅立葉變換，其分布形式發生變換，故平頂光束不能在自由空間保持長距離傳輸，即平頂光束在傳輸較長距離后，不再保持光束能量均勻分布的特性。通過研究平頂光傳輸特性，可以合理利用其能量均勻分布的區域，對于研究非球面整形系統的影響因素、以及整形系統的的改進，提高整形作用范圍，實現平頂光束的工程化應用具有指導意義。

綜上，本文旨在研究傳統基模高斯光束整形技術的基礎上，開發新的設計方法，該方法適用于計算機軟件自動優化設計，減小設計環節，提高運算效率。

二、勻光系統設計

三、結 論

文中在分析傳統的基模高斯光束整形設計方法的基礎上，開展了自動優化設計方法的研究。傳統的高斯光束整形光學系統設計過程復雜，結果需反復校驗，其工作比較繁瑣。

在研究平頂光束的整形技術和傳輸特性時，選擇合適的平頂光束模型，可以使研宄問題大為簡化。不同物理模型之間必有內在的聯系，建立不同平頂光束等效關系，對研究平頂光束的傳輸特性具有指導意義。

不同的平頂光模型有其具體應用范圍，利用柯林斯公式研究平頂光束傳輸特性時，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值計算的方法進行研究。

（作者單位：吉林建筑大學）