激光扩束系统的设计(2)
激光技术这一新的研究领域的迅速发展始于第一台红宝石激光器的问世[3]，从此科技日新月异，知识不断进步，经济发展与日俱增。它也极大地促进了激光扩束系统的广泛应用，尤其是在削切加工、激光焊接、工业打标和表面处理这些方面，在当今社会体现出越来越重要的科技地位。
1.2 论文组织结构
全文共有四个部分：
第一部分分析激光扩束系统产生的背景及意义。
第二部分阐述激光扩束系统中空间频率滤波的原理。
第三部分具体分析本设计方案和实验过程及数据处理。计算输出光束的扩束倍率、边缘光强衰减。
第四部分是结束语。
2. 激光扩束系统的原理
2.1 空间频率滤波系统
空间频率滤波，顾名思义是一种用滤波的方法来处理影像进而增强影像，它是基于空间卷积的理论基础，用来减小在一定条件下还可以消除高频噪声和其他干扰来增强影像边缘，并使线性增强，以及去模糊等改善影像的质量[4]。其分类如图1所示，一般的空间滤波采用的系统是一个光学频谱分析系统，将其中的透镜设置成一个频谱分析仪，然后再利用透镜的傅里叶变换特性并通过空间滤波滤除光束中非线性增长较快的空间频率成份，改善光束质量[5]。
图1 空间频率滤波分类
⑴ 三透镜系统
三透镜系统就是如图2所示利用不同作用的三个透镜组成相互影响相辅相成的装置，它又叫做4f系统。其中S为相干点光源，经过L1的准直作用，在P1输入平面放上将要呈现的光学图像等待处理，图像接受L2透镜的变换作用后再经过P2频谱面上面滤波器的作用，等待最后的成像。L3透镜即为成像作用，最后的像就自然呈现在P3输出面上。其中三个透镜L1、L2、L3的焦距都一致为f0时相对利于我们计算，以下假设需要被测量物体的透过率为t(x1,y1)，经过P2平面时滤波器的透过率为F(fx,fy)，则可以得到的频谱面后面的光场复振幅为[6]：
上式中，F{}表示的是傅里叶变换，fx、fy表示的是空间频率的坐标；λ表示波长。在此过程中输出面P3因为进行了坐标反转（如图2所示），所以结果为μ2′的傅里叶逆变换，即：
图2 三透镜空间滤波系统
(4)
上式即为P3输出面最终呈现的图像表达式，式中符号“*”代表的是卷积运算，式（4）就是物体呈现的几何像和它经过滤波器逆变换后的卷积[7]。
⑵ 二透镜系统
将准直透镜去掉后得到二透镜系统，剩余两个变换和成像作用的透镜就组成了空间滤波系统。将物面和谱面放在不同位置又构成了两种不同的二透镜系统示意图。图3中，将物面P1放在变换作用透镜L1的前焦面，将像面P2放在成像作用透镜L2的后焦面，S和L1的关系式可以写成1/d0+1/di=1/f1，它表示两者是共轭关系。原理同上，图4中，除了S和谱面关于L1共轭之外，像面跟物面也是关于L2的共轭面。在我们实施具体实验操作的过程中，常常是采用多个透镜相互组合的系统，这样更有利于消除像差，减小实验误差[8]。
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