摘要：隨著激光技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的越來越廣泛應(yīng)用，人們對(duì)激光光束質(zhì)量提出了更高要求。而激光光束呈高斯分布和傳播路徑是雙曲線的特性，限制了它在某些方面的應(yīng)用，因此對(duì)激光光束進(jìn)行整形的研究變得尤為重要。

現(xiàn)有的用于激光光束整形的技術(shù)有多種，而利用二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形是其中的一種比較有效的方法，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

本文是在對(duì)國(guó)內(nèi)#F-元光學(xué)元件設(shè)計(jì)算法進(jìn)行調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)原有設(shè)計(jì)算法存在的某些問題，進(jìn)行理論分析和計(jì)算機(jī)模擬：并在對(duì)光學(xué)軟件學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光束整形。

具體內(nèi)容：

(1)首先概括介紹了激光光束整形技術(shù)和二元光學(xué)知識(shí)，之后重點(diǎn)介紹了二元光學(xué)實(shí)現(xiàn)激光光束整形技術(shù)：詳細(xì)介紹和分析了二元光學(xué)元件整形原理、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)分析方法和設(shè)計(jì)算法。

(2)針對(duì)現(xiàn)有的算法存在受初始值影響大和收斂速度慢的問題，嘗試采用新算法一人工魚群算法來進(jìn)行二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明新算法較好的實(shí)現(xiàn)了光束整形，其整形結(jié)果優(yōu)于蓋師貝格一撤克斯通(Gerchberg-Saxton，G-S)算法和基本遺傳算法(GA)。

(3)從設(shè)計(jì)具有可加工性元件的角度出發(fā)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX與VC++的外部接口，編寫了表面面型設(shè)計(jì)程序，得到了具有可加工性的面型分布方程。

1 緒論

1.1 激光波前整形技術(shù)概述

自激光器問世以來，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，可以說現(xiàn)階段國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防和科學(xué)研究等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用激光技術(shù)，即已經(jīng)找不到不應(yīng)用激光技術(shù)的領(lǐng)域和部門了。而激光光束呈高斯分布和傳播路徑是雙曲線的特性限制了激光技術(shù)在某些領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。比如在非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)中，要求抽運(yùn)激光束強(qiáng)度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束的非均勻性會(huì)導(dǎo)致一種“B”積分，使輸出光束質(zhì)量變壞，甚至損壞激光工作物質(zhì)。所以說，激光光束的質(zhì)量直接影響激光技術(shù)的應(yīng)用水平和激光器的整體性能。因此，對(duì)激光光束進(jìn)行整形變得尤為重要，由此產(chǎn)生了多種激光光束整形技術(shù)。近年來，激光光束整形技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。所謂激光光束整形技術(shù)是指改變?nèi)肷浼す馐膹?qiáng)度分布為所需要的強(qiáng)度分布，同時(shí)調(diào)整光束的相位分布來控制傳播路徑。

在激光光束整形中，最常用的是將高斯分布的激光束整形為均勻分布，即激光束勻滑技術(shù)。最初是用光闌從擴(kuò)束準(zhǔn)直的激光束中提取所需要的均勻強(qiáng)度分布，如圖1.1所示，但是這種方法使能量損失嚴(yán)重；接著1965年Frieden提出了無(wú)能量損失的相位型光束整型系統(tǒng)，它是基于幾何光學(xué)原理，采用兩個(gè)非球面透鏡結(jié)構(gòu)將高斯光束整形為均勻光束；之后又出現(xiàn)了針對(duì)于激光器發(fā)出多模光束的微透鏡陣列、可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的二元光學(xué)元件和具有靈活性、更好通用性的雙折射透鏡組以及液晶空間光調(diào)制器。

圖1.1激光束勻滑技術(shù)整形示意圖

Frieden提出的無(wú)能量損失的相位型光束整型系統(tǒng)是針對(duì)單模激光光束，且整形效果好。這種系統(tǒng)通過一個(gè)平一凹非球面鏡和一個(gè)平一凸非球面鏡的非球面透鏡結(jié)構(gòu)將高斯分布的激光光束調(diào)制為均勻分布。如圖1.2所示。非球面的設(shè)計(jì)原理是：根據(jù)能量守恒原理建立輸入非球面光線和輸出非球面光線之間的映射關(guān)系，來確定折射光線的方向余弦：建立光線輸入非球面相位函數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于相應(yīng)光線的方向余弦方程，求解方程即可得到相位函數(shù)。

圖1.2 非球面透鏡組整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Frieden提出的雙分離透鏡系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換率高、可實(shí)現(xiàn)任意波前變換及同軸等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件很難實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的非球面面型加工。之后出現(xiàn)了許多改進(jìn)系統(tǒng)：Shafer試圖利用雙膠合球面鏡代替系統(tǒng)中的非球面鏡，但帶來的缺點(diǎn)是影響了輸出光束質(zhì)量；Hoffnagle和Jefferson峭J利用兩個(gè)平一凸非球面鏡系統(tǒng)，一定程度上降低了元件的制作難度；Evans和Shealy利用三個(gè)漸變折射率鏡片設(shè)計(jì)系統(tǒng)，雖然元件個(gè)數(shù)有所增加，但每個(gè)元件均由球面構(gòu)成，降低了制作難度等其他改進(jìn)方法。

微透鏡陣列又稱為蠅眼透鏡，是為解決多模激光束的整形問題由Dickey等人在2000年首先提出。之后還提出了有圓柱體透鏡陣列、光楔聚焦陣列等。如圖1.3所示。這種類型的陣列系統(tǒng)是由兩部分組成：第一部分是多個(gè)焦距和尺寸相同的小透鏡組成的微透鏡陣列，該陣列將激光光束進(jìn)行分割；第二部分是球面聚焦透鏡，球面聚焦透鏡將微透鏡陣列分割為些許子束進(jìn)行疊加，以此消除激光光束分布無(wú)規(guī)則的影響，實(shí)現(xiàn)了均勻照明。由于陣列表面有空隙，微透鏡邊緣要發(fā)生菲涅耳衍射，能量會(huì)有所損失；又因?yàn)樗峭ㄟ^子波的疊加產(chǎn)生均勻分布，所以要在靶面上不可避免的產(chǎn)生干涉條紋，該干涉條紋影響了整形效果。

圖1.3微透鏡陣列整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問題，Pepler等人通過改變每個(gè)小透鏡的相位分布來緩解靶面干涉斑紋的影響；Copp和Bollanti等人將微透鏡陣列與無(wú)規(guī)則相位板、或衍射光學(xué)元件陣列、或變焦非對(duì)稱陣列分割器相配合，來提高輸出光束的均勻性。微透鏡陣列是通過光束的分割和子束的疊加來實(shí)現(xiàn)整形，這種系統(tǒng)對(duì)入射強(qiáng)度分布不敏感，所以該系統(tǒng)特別適合光場(chǎng)強(qiáng)度分布不規(guī)則、相干性差的準(zhǔn)分子激光器的整形。

結(jié)論

激光技術(shù)的具體應(yīng)用中：在各種光驅(qū)中，需要利用微透鏡來聚焦光束，照射光盤；激光加工中，如對(duì)金屬、塑料的切割，需要現(xiàn)對(duì)光束整形；生命科學(xué)等的研究中，需要光鑷、激光探針等，需要將光束整形為長(zhǎng)焦深小焦斑等等。因此，對(duì)激光光束進(jìn)行整形變得尤為重要，由此本文探討多種激光光束整形技術(shù)，并對(duì)利用二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形進(jìn)行研究。

本文在對(duì)現(xiàn)有的激光光束整形技術(shù)和二元光學(xué)元件技術(shù)的整形原理、設(shè)計(jì)分析方法和算法進(jìn)行調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有用于實(shí)現(xiàn)激光波前整形的二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)算法存在受初始值影響大和收斂速度慢的問題，嘗試地采用新算法進(jìn)行二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。在通過對(duì)大量算法調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇人工魚群算法設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形。然后從設(shè)計(jì)具有可加工性二元光學(xué)元件的角度出發(fā)，利用ZEMAX編寫宏程序設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束勻化分布，從而得到了具有可加工性的面型圖。

審核編輯：湯梓紅