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高功率半导体激光器被越来越多地用于表面改性、焊接、切割等领域,是未来激光加工的发展趋势。本文分析了直接输出高功率半导体激光器的光束整形结构,提出了矩形光斑菲涅耳聚焦系统的设计方案。并研究了影响输出光斑均匀性的因素,最终获得了均匀矩形输出光斑。主要研究内容包括以下几个方面:(1)高功率半导体激光器作为材料表面改性的直接光源,其光斑形状及均匀性直接影响着表面改性的质量。针对半导体激光器快慢轴光束质量不对称的问题,提出了菲涅耳聚焦系统的解决方案,通过对光束的分割重排来改善光斑均匀性。(2)进行了菲涅耳聚焦系统的设计。菲涅耳聚焦系统由相互正交的菲涅耳透镜和柱透镜组成,分别对慢轴和快轴进行聚焦,提高光斑均匀性。透镜材料为LAFN21,尺寸均为40×40mm2,两镜相距20mm,聚焦系统焦距为380mm,设计输出光斑尺寸为2×10mm2。(3)研究了菲涅耳透镜楞距对输出光斑均匀性的影响。当菲涅耳透镜楞距在1mm以内时,焦斑均匀性最佳约为94.90%。随着楞距的继续增大,输出光斑均匀性会逐渐降低。当楞距增大到2.5mm后,光斑的均匀性不再随楞距的增大而变化,基本稳定在93.85%左右。(4)分析了入射光发射角对输出光斑均匀性的影响。焦斑的均匀性会随着发散角的增大有所提高,但是发散角太大会使聚焦难度增加,而且光斑均匀性也随之恶化。当菲涅耳透镜楞距为1mm,入射光发散角在12.5mrad-20mrad范围内时,焦斑均匀性最好约为95.22%。(5)实验验证了菲涅耳聚焦系统及其设计方案的可行性。但是入射光发散角会引起光斑尺寸展宽,实测光斑尺寸为2.04×10.39mm2。快轴发散角较小,实测与设计值基本保持一致,而慢轴发散角较大,产生了约0.39mm的展宽。因此,实际设计过程中应考虑光斑尺寸的展宽现象。本论文的研究工作对高功率半导体激光器聚焦系统的设计提供了一种新思路,对高功率半导体激光器应用于激光表面改性等领域具有一定的参考价值。