摘要
超短脉冲激光以加工精度高、热影响小、无接触加工等优点，被广泛应用于表面微结构制备的各个领域。然而随着激光单脉冲能量和脉冲重复频率的不断提高，传统的激光扫描器件制约了激光加工系统的能量利用率和加工速度。声光偏转器以其无惯性、偏转速度快、最小偏转角小、体积小等优势成为高速激光扫描器件的新选择，但是受制于其声光扫描角较小，难以满足大幅面加工需求。声光偏转器与振镜协同扫描系统集成了声光偏转器高速、精确扫描和振镜大范围扫描的优势，拥有广阔的发展前景。本文研究了声光偏转器与振镜协同扫描系统的聚焦光斑特性，重点分析了声光偏转对光斑质量的影响，并对此开展了实验研究，为后续协同扫描系统的设计与应用提供了有益的技术支撑，具体研究内容如下： 首先，结合声光互作用理论介绍了声光偏转器的工作原理及主要参数。依据此理论，用等效相位面法在光学设计软件中建立了声光偏转器自定义表面模型，推导了声光等效相位面对光矢量的具体影响，并详细分析了声光等效相位面与几何镜面在光线追迹中的共同作用过程。 其次，依据声光偏转器自定义表面，对声光-振镜协同扫描系统进行了仿真，使用变倍扩束镜和4f系统两种扩束方案，对比分析了光路中声光偏转对聚焦光斑像差的影响，结果表明变倍扩束方案会使声光偏转器扫描范围内的光斑质量发生变化，而4f系统方案下声光偏转对光斑影响不大，越靠近加工平面的边缘，这种现象表现地越明显。 随后，搭建实验平台验证了仿真结论。实验显示，当振镜达到最大扫描角时，变倍扩束镜方案中声光偏转器使光斑椭圆度变化 28.1%，而 4f 系统方案变化小于 6%。同时，实验测量在145~205MHz的超声频率范围内，二维声光偏转器衍射效率大于80%。其高速偏转功能可以实现150kHz激光脉冲分离，验证了声光偏转器的优越性。 最后，对本文的研究结果进行总结，展望了这种协同扫描系统的更多应用领域与进一步的研究方向。
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