基于非球面镜像差效应的长焦深高斯光束均匀化光学系统设计

Optical System Design for Gaussian Beam Uniformization with Long Focal Depth Based on Aberration Effect of Aspheric Mirror

摘要: 近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用.然而,高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展.为提高工作效率和测量精度,实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布,但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求.为此,本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统,系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成,所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜,能够实现99.9％的光学系统传输效率.系统工作波段为1064 nm,工作距离为1000 mm,系统总长为135.2 mm,耐受激光功率不小于300 W.设计结果表明:整形后的平顶高斯光束有效焦深为±100 mm,光束均匀性≥95％,会聚角为17.52 mrad,能够满足上述应用场景的实际需求.本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统,具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点.