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基于玻璃随机微透镜阵列的激光匀化研究

摘要

激光因其高亮度、高单色性和高方向性等特点广泛应用于激光剥离、熔覆、

消融和医疗等领域。但未经处理的激光光斑能量分布不均匀,一般为高斯型。这

种不均匀特性限制了其工作效率和质量;因此需要将高斯型激光匀化整形为平顶

光。目前实现激光光束匀化的诸多方法中,微透镜阵列因具有转化效率高、体积

小、杂散光少等诸多优点而备受关注。但传统周期性微透镜阵列在匀化高相干性

激光时容易出现干涉条纹,影响匀化效果。为了解决此问题,本文从打破微透镜

阵列的周期性排列结构出发,以此消除干涉。最终,设计制备了随机微透镜阵列,

并对其性能进行评估和改进。本文工作主要包括:

(1)通过泊松盘采样算法生成了一种点间距均匀的伪随机点阵,并基于该

点阵通过CATIA创建凹面型随机微透镜阵列的三维模型,再通过SPEOS光学仿

真软件完成了其对高斯型光束匀化整形的仿真模拟,初步验证了本文设计的这种

随机微透镜阵列具有较高的激光匀化效果并可以打破干涉。

(2)然后采用激光烧蚀结合湿法刻蚀的方式以玻璃作为基材制备了凹面随

机微透镜阵列实物,并搭建匀化测试光路从匀化光束的发散角、平顶率和光斑均

匀性等方面对这种随机微透镜阵列匀化效果进行评估,此外通过控制变量的方式

研究了溶液刻蚀时间与点阵均间距对这种随机微透镜阵列匀化效果的影响,通过

研究确定了溶液刻蚀的最佳时长,并获得了点阵均间距与这种随机微透镜阵列匀

化效果之间的关系。

(3)针对制备的玻璃凹面随机微透镜阵列存在的子透镜口径多元性的不足

以及微透镜湿法刻蚀效率较低的问题,提出了两种优化方案。分别设计制备了多

点阵随机微透镜阵列与基于阿基米德螺旋线的随机微透镜阵列,并测试了这两种

微透镜阵列对激光的匀化效果。实验证明了多点阵随机微透镜阵列的优良匀化效

果,和基于阿基米德螺旋线的随机微透镜阵列的高效制备特性。

本文设计制备的玻璃随机微透镜阵列实现了对匀化光场干涉条纹的抑制获

得了较好的匀化效果。这种玻璃随机微透镜阵列填充率高,能承受较大功率,有

I

望在激光加工领域获得应用。

【关键词】:激光匀化;随机微透镜阵列;激光烧蚀;湿法刻蚀

II

ResearchonLaserHomogenizationBased

onRandomGlassMicrolensArray

Abstract

Duetoitscharacteristicssuchashighbrightness,highmonochromaticity,and

highdirectionality,lasersarewidelyusedinlaserablation,cladding,melting,and

medicalfields.However,theuntreatedlaserbeamhasanunevenenergydistribution,

typicallyfollowingaGaussiandistribution.Thisnon-uniformcharacteristiclimitsits

efficiencyandquality;therefore,itisnecessarytotransformtheGaussian-shaped

laserintoaflat-topbeam.Amongthevariousmethodsforlaserbeamhomogenization,

micro-lensarrayshaveattractedsignificantattentionduetotheirhighconversion

efficiency,smallsize,andlowstraylight.However,traditionalperiodicmicro-lens

arraystendtoproduceinterferencepatternswhenhomogenizinghighlycoherent

lasers,affecting

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