高功率半導體激光器矩形光斑聚焦系統(tǒng)研究.pdf

1、高功率半導體激光器被越來越多地用于表面改性、焊接、切割等領(lǐng)域，是未來激光加工的發(fā)展趨勢。本文分析了直接輸出高功率半導體激光器的光束整形結(jié)構(gòu)，提出了矩形光斑菲涅耳聚焦系統(tǒng)的設(shè)計方案。并研究了影響輸出光斑均勻性的因素，最終獲得了均勻矩形輸出光斑。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　（1）高功率半導體激光器作為材料表面改性的直接光源，其光斑形狀及均勻性直接影響著表面改性的質(zhì)量。針對半導體激光器快慢軸光束質(zhì)量不對稱的問題，提出了菲涅耳聚焦

2、系統(tǒng)的解決方案，通過對光束的分割重排來改善光斑均勻性。
　?。?）進行了菲涅耳聚焦系統(tǒng)的設(shè)計。菲涅耳聚焦系統(tǒng)由相互正交的菲涅耳透鏡和柱透鏡組成，分別對慢軸和快軸進行聚焦，提高光斑均勻性。透鏡材料為 LAFN21，尺寸均為40×40mm2，兩鏡相距20mm，聚焦系統(tǒng)焦距為380mm，設(shè)計輸出光斑尺寸為2×10mm2。
　?。?）研究了菲涅耳透鏡楞距對輸出光斑均勻性的影響。當菲涅耳透鏡楞距在1mm以內(nèi)時，焦斑均勻性最佳約為94.

3、90％。隨著楞距的繼續(xù)增大，輸出光斑均勻性會逐漸降低。當楞距增大到2.5mm后，光斑的均勻性不再隨楞距的增大而變化，基本穩(wěn)定在93.85%左右。
　?。?）分析了入射光發(fā)射角對輸出光斑均勻性的影響。焦斑的均勻性會隨著發(fā)散角的增大有所提高，但是發(fā)散角太大會使聚焦難度增加，而且光斑均勻性也隨之惡化。當菲涅耳透鏡楞距為1mm，入射光發(fā)散角在12.5mrad-20mrad范圍內(nèi)時，焦斑均勻性最好約為95.22%。
　?。?）實驗驗證