基于高功率光纤激光器的光束整形镜研究

论文摘要

激光淬火处理技术广泛应用于工业加工领域,但高斯光束的能量分布模式无法获得均匀的淬硬层深而阻碍了该技术的发展。光束整形器能通过改善光束的质量提高激光淬火质量,因而成为研究的热点,但很少被直接应用于激光淬火的工程实验之中。结合实验室的设备条件,本文主要设计并加工了用于高功率光纤器淬火系统的光束整形器,将激光束能量分布由近似高斯分布转变成近似平顶分布,从而提高了激光淬火的质量。具体研究内容包括:(1)以几何光学和能量守恒定律等为依据,选用偶次非球面透镜作为整形元件,并确定了光束整形系统的初始数据(如镜片厚度、镜片间距、镜片直径等);(2)运用ZEMAX光学设计软件对光束整形系统进行了模拟分析,再根据相应的评价函数对系统进行优化,使整形后的光束能量分布尽量均匀,找出最优的方案。(3)将加工好的整形系统用于激光淬火实验,验证整形镜的整形效果。实验结果表明:在系统工作面上的光斑除中心黑斑边缘有一亮环外,其余部分的能量密度较为均匀;在不考虑中心黑斑的情况下,光斑在工作面前后随工作距离的变化趋势与理论模拟一致。整形后激光束的工作距离较理论模拟值减小了90mm,而整形后的光斑在材料表面作用后得到的直径较理论值增加了1mm。最后,通过光纤激光淬火实验验证了整形镜的整形效果,基本达到设计的要求,获得的淬硬层深基本相同。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高斯光束能量均匀化整形技术的现状
• 1.3 本论文的技术方案
• 2 光束整形系统的整体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 光束整形系统的设计思路
• 2.3 光束整形系统的结构与工作原理
• 2.4 本章小结
• 3 光束整形系统的光学设计
• 3.1 引言
• 3.2 光学设计软件和光学设计原理
• 3.3 单片非球面透镜光束整形系统的理论模型分析
• 3.4 ZEMAX 软件对整形系统进行设计与优化
• 3.5 镜片框架的设计
• 3.6 本章小结
• 4 光束整形系统的性能评价和实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 光束整形系统在低功率光束下的实验检测
• 4.3 光束整形系统在高功率光束下的实验检测
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献