用于激光光束整形的二元光學元件設計

摘要：隨著激光技術在工業、農業、醫藥衛生、國防和科學研究等各個領域的越來越廣泛應用，人們對激光光束質量提出了更高要求。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用，因此對激光光束進行整形的研究變得尤為重要。

現有的用于激光光束整形的技術有多種，而利用二元光學元件實現激光光束整形是其中的一種比較有效的方法，表現出廣泛的應用前景。

本文是在對國內#F-元光學元件設計算法進行調研和分析的基礎上，針對原有設計算法存在的某些問題，進行理論分析和計算機模擬：并在對光學軟件學習的基礎上，利用光學設計軟件設計二元光學元件實現光束整形。

具體內容：

(1)首先概括介紹了激光光束整形技術和二元光學知識，之后重點介紹了二元光學實現激光光束整形技術：詳細介紹和分析了二元光學元件整形原理、設計原理、設計分析方法和設計算法。

(2)針對現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行二元光學元件的設計。計算機模擬結果表明新算法較好的實現了光束整形，其整形結果優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)從設計具有可加工性元件的角度出發，利用光學設計軟件來設計二元光學元件實現激光光束整形。利用光學設計軟件ZEMAX與VC++的外部接口，編寫了表面面型設計程序，得到了具有可加工性的面型分布方程。

1 緒論

1.1 激光波前整形技術概述

自激光器問世以來，經過數十年發展，可以說現階段國民經濟的各個領域：工業、農業、醫藥衛生、國防和科學研究等，已經廣泛應用激光技術，即已經找不到不應用激光技術的領域和部門了。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在某些領域的進一步應用。比如在非線性光學的頻率變換技術中，要求抽運激光束強度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束的非均勻性會導致一種“B”積分，使輸出光束質量變壞，甚至損壞激光工作物質。所以說，激光光束的質量直接影響激光技術的應用水平和激光器的整體性能。因此，對激光光束進行整形變得尤為重要，由此產生了多種激光光束整形技術。近年來，激光光束整形技術成為研究的熱點。所謂激光光束整形技術是指改變入射激光束的強度分布為所需要的強度分布，同時調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。最初是用光闌從擴束準直的激光束中提取所需要的均勻強度分布，如圖1.1所示，但是這種方法使能量損失嚴重；接著1965年Frieden提出了無能量損失的相位型光束整型系統，它是基于幾何光學原理，采用兩個非球面透鏡結構將高斯光束整形為均勻光束；之后又出現了針對于激光器發出多模光束的微透鏡陣列、可以實現系統小型化的二元光學元件和具有靈活性、更好通用性的雙折射透鏡組以及液晶空間光調制器。

圖1.1激光束勻滑技術整形示意圖

Frieden提出的無能量損失的相位型光束整型系統是針對單模激光光束，且整形效果好。這種系統通過一個平一凹非球面鏡和一個平一凸非球面鏡的非球面透鏡結構將高斯分布的激光光束調制為均勻分布。如圖1.2所示。非球面的設計原理是：根據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的導數等于相應光線的方向余弦方程，求解方程即可得到相位函數。

圖1.2 非球面透鏡組整形系統結構

Frieden提出的雙分離透鏡系統具有能量轉換率高、可實現任意波前變換及同軸等優點，但當時的技術條件很難實現這種復雜的非球面面型加工。之后出現了許多改進系統：Shafer試圖利用雙膠合球面鏡代替系統中的非球面鏡，但帶來的缺點是影響了輸出光束質量；Hoffnagle和Jefferson峭J利用兩個平一凸非球面鏡系統，一定程度上降低了元件的制作難度；Evans和Shealy利用三個漸變折射率鏡片設計系統，雖然元件個數有所增加，但每個元件均由球面構成，降低了制作難度等其他改進方法。

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是由兩部分組成：第一部分是多個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行疊加，以此消除激光光束分布無規則的影響，實現了均勻照明。由于陣列表面有空隙，微透鏡邊緣要發生菲涅耳衍射，能量會有所損失；又因為它是通過子波的疊加產生均勻分布，所以要在靶面上不可避免的產生干涉條紋，該干涉條紋影響了整形效果。

圖1.3微透鏡陣列整形系統結構

針對上述問題，Pepler等人通過改變每個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規則相位板、或衍射光學元件陣列、或變焦非對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現整形，這種系統對入射強度分布不敏感，所以該系統特別適合光場強度分布不規則、相干性差的準分子激光器的整形。

結論

激光技術的具體應用中：在各種光驅中，需要利用微透鏡來聚焦光束，照射光盤；激光加工中，如對金屬、塑料的切割，需要現對光束整形；生命科學等的研究中，需要光鑷、激光探針等，需要將光束整形為長焦深小焦斑等等。因此，對激光光束進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，并對利用二元光學元件實現激光光束整形進行研究。

本文在對現有的激光光束整形技術和二元光學元件技術的整形原理、設計分析方法和算法進行調研和分析的基礎上，針對現有用于實現激光波前整形的二元光學元件的設計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行二元光學元件的設計。在通過對大量算法調研的基礎上，選擇人工魚群算法設計二元光學元件實現激光光束整形。然后從設計具有可加工性二元光學元件的角度出發，利用ZEMAX編寫宏程序設計二元光學元件實現激光光束勻化分布，從而得到了具有可加工性的面型圖。

審核編輯：湯梓紅