用于激光光束整形的二元光学元件设计

摘要：随着激光技术在工业、农业、医药卫生、国防和科学研究等各个领域的越来越广泛应用，人们对激光光束质量提出了更高要求。而激光光束呈高斯分布和传播路径是双曲线的特性，限制了它在某些方面的应用，因此对激光光束进行整形的研究变得尤为重要。

现有的用于激光光束整形的技术有多种，而利用二元光学元件实现激光光束整形是其中的一种比较有效的方法，表现出广泛的应用前景。

本文是在对国内#F-元光学元件设计算法进行调研和分析的基础上，针对原有设计算法存在的某些问题，进行理论分析和计算机模拟：并在对光学软件学习的基础上，利用光学设计软件设计二元光学元件实现光束整形。

具体内容：

(1)首先概括介绍了激光光束整形技术和二元光学知识，之后重点介绍了二元光学实现激光光束整形技术：详细介绍和分析了二元光学元件整形原理、设计原理、设计分析方法和设计算法。

(2)针对现有的算法存在受初始值影响大和收敛速度慢的问题，尝试采用新算法一人工鱼群算法来进行二元光学元件的设计。计算机模拟结果表明新算法较好的实现了光束整形，其整形结果优于盖师贝格一撤克斯通(Gerchberg-Saxton，G-S)算法和基本遗传算法(GA)。

(3)从设计具有可加工性元件的角度出发，利用光学设计软件来设计二元光学元件实现激光光束整形。利用光学设计软件ZEMAX与VC++的外部接口，编写了表面面型设计程序，得到了具有可加工性的面型分布方程。

1 绪论

1.1 激光波前整形技术概述

自激光器问世以来，经过数十年发展，可以说现阶段国民经济的各个领域：工业、农业、医药卫生、国防和科学研究等，已经广泛应用激光技术，即已经找不到不应用激光技术的领域和部门了。而激光光束呈高斯分布和传播路径是双曲线的特性限制了激光技术在某些领域的进一步应用。比如在非线性光学的频率变换技术中，要求抽运激光束强度均匀；在高功率固体激光器和放大器中，输入光束的非均匀性会导致一种“B”积分，使输出光束质量变坏，甚至损坏激光工作物质。所以说，激光光束的质量直接影响激光技术的应用水平和激光器的整体性能。因此，对激光光束进行整形变得尤为重要，由此产生了多种激光光束整形技术。近年来，激光光束整形技术成为研究的热点。所谓激光光束整形技术是指改变入射激光束的强度分布为所需要的强度分布，同时调整光束的相位分布来控制传播路径。

在激光光束整形中，最常用的是将高斯分布的激光束整形为均匀分布，即激光束匀滑技术。最初是用光阑从扩束准直的激光束中提取所需要的均匀强度分布，如图1.1所示，但是这种方法使能量损失严重；接着1965年Frieden提出了无能量损失的相位型光束整型系统，它是基于几何光学原理，采用两个非球面透镜结构将高斯光束整形为均匀光束；之后又出现了针对于激光器发出多模光束的微透镜阵列、可以实现系统小型化的二元光学元件和具有灵活性、更好通用性的双折射透镜组以及液晶空间光调制器。

图1.1激光束匀滑技术整形示意图

Frieden提出的无能量损失的相位型光束整型系统是针对单模激光光束，且整形效果好。这种系统通过一个平一凹非球面镜和一个平一凸非球面镜的非球面透镜结构将高斯分布的激光光束调制为均匀分布。如图1.2所示。非球面的设计原理是：根据能量守恒原理建立输入非球面光线和输出非球面光线之间的映射关系，来确定折射光线的方向余弦：建立光线输入非球面相位函数的导数等于相应光线的方向余弦方程，求解方程即可得到相位函数。

图1.2 非球面透镜组整形系统结构

Frieden提出的双分离透镜系统具有能量转换率高、可实现任意波前变换及同轴等优点，但当时的技术条件很难实现这种复杂的非球面面型加工。之后出现了许多改进系统：Shafer试图利用双胶合球面镜代替系统中的非球面镜，但带来的缺点是影响了输出光束质量；Hoffnagle和Jefferson峭J利用两个平一凸非球面镜系统，一定程度上降低了元件的制作难度；Evans和Shealy利用三个渐变折射率镜片设计系统，虽然元件个数有所增加，但每个元件均由球面构成，降低了制作难度等其他改进方法。

微透镜阵列又称为蝇眼透镜，是为解决多模激光束的整形问题由Dickey等人在2000年首先提出。之后还提出了有圆柱体透镜阵列、光楔聚焦阵列等。如图1.3所示。这种类型的阵列系统是由两部分组成：第一部分是多个焦距和尺寸相同的小透镜组成的微透镜阵列，该阵列将激光光束进行分割；第二部分是球面聚焦透镜，球面聚焦透镜将微透镜阵列分割为些许子束进行叠加，以此消除激光光束分布无规则的影响，实现了均匀照明。由于阵列表面有空隙，微透镜边缘要发生菲涅耳衍射，能量会有所损失；又因为它是通过子波的叠加产生均匀分布，所以要在靶面上不可避免的产生干涉条纹，该干涉条纹影响了整形效果。

图1.3微透镜阵列整形系统结构

针对上述问题，Pepler等人通过改变每个小透镜的相位分布来缓解靶面干涉斑纹的影响；Copp和Bollanti等人将微透镜阵列与无规则相位板、或衍射光学元件阵列、或变焦非对称阵列分割器相配合，来提高输出光束的均匀性。微透镜阵列是通过光束的分割和子束的叠加来实现整形，这种系统对入射强度分布不敏感，所以该系统特别适合光场强度分布不规则、相干性差的准分子激光器的整形。

结论

激光技术的具体应用中：在各种光驱中，需要利用微透镜来聚焦光束，照射光盘；激光加工中，如对金属、塑料的切割，需要现对光束整形；生命科学等的研究中，需要光镊、激光探针等，需要将光束整形为长焦深小焦斑等等。因此，对激光光束进行整形变得尤为重要，由此本文探讨多种激光光束整形技术，并对利用二元光学元件实现激光光束整形进行研究。

本文在对现有的激光光束整形技术和二元光学元件技术的整形原理、设计分析方法和算法进行调研和分析的基础上，针对现有用于实现激光波前整形的二元光学元件的设计算法存在受初始值影响大和收敛速度慢的问题，尝试地采用新算法进行二元光学元件的设计。在通过对大量算法调研的基础上，选择人工鱼群算法设计二元光学元件实现激光光束整形。然后从设计具有可加工性二元光学元件的角度出发，利用ZEMAX编写宏程序设计二元光学元件实现激光光束匀化分布，从而得到了具有可加工性的面型图。

审核编辑：汤梓红