3 kW 半导体激光器矩形光斑聚焦优化研究

"激光表面改性3 kW 半导体激光器矩形光斑聚焦系统研究" 本文主要探讨了如何解决3 kW 半导体激光器在机器人表面改性应用中的聚焦光斑不均匀问题。激光表面改性是一种利用高能激光束改变材料表面性能的技术，如增强耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性等。在实际操作中，半导体激光器因其高效、紧凑和可调谐等优点被广泛用于此类应用。然而，高功率半导体激光器通常产生的光斑不均匀，这会直接影响到改性的质量和效率。 针对这一问题，研究人员提出了一种创新方法，即采用菲涅耳透镜对面阵高功率半导体激光器的输出光斑进行聚焦匀化。菲涅耳透镜是一种特殊设计的透镜，其具有连续变化的厚度，可以有效减小光束质量，实现长距离聚焦，并且保持光斑的均匀性。通过这种方法，他们成功设计出了一个尺寸为10 mm × 2 mm 的均匀矩形光斑，这更符合机器人在表面处理时的工艺需求。 为了优化聚焦系统的性能，科研团队利用Zemax 和Matlab 软件进行了仿真分析。Zemax是一款广泛使用的光学设计软件，用于模拟和优化光学系统；而Matlab则提供了强大的数值计算和可视化工具。研究中，他们考察了菲涅耳透镜的楞距（透镜表面的周期性结构参数）和入射光的发散角对焦斑均匀性的影响。 研究表明，当菲涅耳透镜的楞距控制在1毫米以内时，焦斑的均匀性最佳，可达约94.90%。随着楞距的增大，光斑的均匀性逐渐下降，当楞距增加到2.5毫米后，光斑的均匀性趋于稳定，大约为93.85%。另一方面，发散角的增大虽然能在一定程度上改善光斑的均匀性，但过大的发散角会增加聚焦的难度，同时也会降低光斑的均匀性。最佳情况下，当楞距固定在1毫米，入射光发散角在12.5至20毫弧度之间时，焦斑的均匀性最高，达到约95.22%。 这些发现对于改进高功率半导体激光器的聚焦系统具有重要的实践意义，可以提升激光表面改性过程的精度和一致性。通过优化菲涅耳透镜的设计参数，可以进一步提高激光加工的效率和质量，尤其在机器人自动化作业中，确保了激光处理的精确性和可靠性。此外，这项研究也为其他需要高均匀性光斑的应用，如精密加工、激光焊接和激光熔覆等领域提供了理论依据和技术支持。