（光学工程专业论文）用于激光光束整形的二元光学元件的设计.pdf

火连理工大学硕士学位论文 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( g e r c h b e r g s a x t o n ，g s ) 算法和基本遗 传算法( g a ) 。 ( 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z e m a x 与v c + 十的外部接口，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。 关键词：激光波前整形；二元光学元件；人工鱼群算法；光学设计；z e m a x 用r 丁激光光束整形的二元光学元件的设计 t h e d e s i g no fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sf o rl a s e rb e a ms h a p i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el a s e r ，l a s e rt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha si n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，m e d i c a la p p l i c a t i o n s ，n a t i o n a ld e f e n s ea n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h h o w e v e r ，t h ee n e r g yp r o f i l eo fl a s e rb e a mi sag a u s s i a nf u n c t i o np r o f i l ea n dt h ep r o p a g a t i o n p a t hi sh y p e r b o l a , n o ts t r a i g h tl i n e t h a tl i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s s ot h el a s e rb e a m s h a p i n gi sb e c o m i n gv e r yu r g e n ta n di m p o r t a n t u s i n gb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sf o rb e a m s h a p i n g ，a so n eo ft h es e v e r a lt y p i c a lt e c h n i q u e s ，i sa ne f f e c tm e a n a c c o r d i n gt os e v e r a la l g o r i t h m sd e f e c t si nc u r r e n td e s i g n i n gb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sf o r l a s e rb e a ms h a p i n g ，w eu s ean e wa l g o r i t h mt od e s i g nb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sf o rb e a m s h a p i n g i no r d e rt od e s i g np r o c e s s a b l eb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，w ed e s i g n e db i n a r yo p t i c a l e l e m e n t sf o rh o m o g e n i z a t i o no fl a s e rb e a mb a s e do nz e m a x w h i c hi sa b l et ot r a n s f o r mt h e g a u s s i a nl a s e rb e a mi n t of l a t - t o po n e s o u rr e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 ) s e v e r a lm e t h o d st oa c h i e v el a s e rb e a ms h a p i n ga r ei n t r o d u c e d a n dt h ep r i n c i p l eo f b e a ms h a p i n g ，o r i g i na n dd e v e l o p m e n ta b o u tb i n a r yo p t i c se l e m e n t sa r ei n s t r u c t e d ，t o o m a n y m e t h o d su s i n gt od e s i g nt h ep h a s eo fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sa r ed i s c u s s e d ( 2 ) w eh a v e u s e dn e wa l g o r i t h m st o d e s i g nb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s a r t i f i c i a l f i s h - s w a r n la l g o r i t h mi sp u tf o r w a r df o rd e s i g n i n gb i n a r yo p t i c a le l e m e n t sf o rl a s e rb e a m s h a p i n g ，a i m i n ga ti n c r e a s i n gt h es p e e do fo p t i m i z a t i o nf o rb o ea n di m p r o v i n gi t sd i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y t h em e t h o di su s e dt od e s i g nab i n a r yo p t i c a ls y s t e mw i t h16g r e yl e v e l st o i m p l e m e n tt h ew a v e f r o n tt r a n s f o r m a t i o nf r o mg a u s s i a nb e a mt oc i r c u l a r l yf i a t t o pb e a m c o m p u t e r d e s i g n e dr e s u l tb yu s i n ga r t i f i c i a lf i s h - s w a r ma l g o r i t h ml e a d st oa ne x c e l l e n t o u t p u tb e a m ( 3 ) h o m o g e n i z a t i o nd e s i g ni ng a u s s i a nl a s e rb e a mt r a n s f o r m a t i o nb a s e do nz e m a x b a s e do nz e m a x ，t h em a c r oi n s t r u c t i o n sa r ew r i r e nt oo p t i m i z et h eb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s f o rl a s e rb e a ms h a p i n g k e yw o r d s ：o p t i c a lb e a ms h a p i n g ；b i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ；a r t i f i c i a lf i s h s w a r m a l g o r i t h m ；o p t i c a ld e s i g n ；z e m a x i i 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：一! 銎墨；鱼叁生茎童垒鱼三垄叁翌之卑鱼遗4 作者签名：量整 生：1 日期：qz 年j l 月上l 日 大连理工大学硕士学位论文 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【l 】。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【2 】。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( 3 】。 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【4 j 。 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【5 1 ；接着1 9 6 5 年f r i e d e n 6 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。 高斯 图1 i 激光束匀滑技术整形示意图 f i g u r e 1 。l u n i f o r mi r r a d i a n c eo b t a i n e db ya p e r t u d n gi n p u tb e a m 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 f r i e d e n 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 【3 】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。f r i e d e n 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：s h a f e r 7 】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；h o f f n a g l e 和j e f f e r s o n 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；e v a n s 和s h e a l y 9 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。 卜。_ l 、 光轴 高斯分布 非球面透镜 非球面透镜 图1 2非球面透镜组整形系统结构 f i g u r e 1 2 t h es y s t e mo fa s p h e f i cl e n sf o rb e a ms h a p i n g 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d i c k e y l lu j 等人在 2 0 0 0 年首先提出。之后还提出了有圆柱体透镜阵列【l 、光楔聚焦阵列i l2 j 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， 大连理工大学硕士学位论文 该干涉条纹影响了整形效果。针对上述问题，p e p l e r 等人【1 3 1 4 1 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；c o p p 1 5 】和b o l l a n t i 1 6 】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【1 7 】 的整形。 凰 ) 忒? ? ) 莎乡歹 t ， r ， 7 图1 3 微透镜阵列整形系统结构 f i g u r e 1 3 a m u l t i a p e r t u r eb e a mi n t e g r a t o r 二元光学元件( b i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，b o e ) 又称为衍射元件，它通过相位补 偿的方式改变光场传播方向，从而改变光强分布，实现光束整形。它满足某些激光光束 整形领域中要求光学系统小型化和轻量化的要求。二元光学元件不同于传统光学元件， 它是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成( v l s i ) 电路制 作工艺，在片基上( 或传统光学器件表面) 刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结 构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射器件。在实现激光光束 整形上具有许多卓越的、传统光学难以具备的功能，被人们认为是用于光束整形是一种 极为有效的方法。 二元光学元件起源于全息元件，在1 9 8 4 年由美国林肯实验室提出i l 引，以多台阶相 位结构近似相息图的连续浮雕结构，使得衍射光学元件的加工成为可能。也就是说，二 元光学元件同时解决了衍射元件的效率和加工问题。所以，利用二元光学元件进行光束 整形发展迅速，它已成功将将圆形高斯光束整形为方形【1 9 1 、环形【2 0 】，甚至整形成字母【2 l 】 或任意图形1 2 引，还可以将半导体激光器的椭圆像散光束准直成圆形消像散光束拉3 】等等。 对二元光学元件的研究也由标量衍射理论过度到矢量衍射理论，虽然在元件生产制造上 市l d _ 耐 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 目前还受一些加工技术条件的限制，但是相信随着设计理论、加工工艺和复制工艺的不 断发展，人们预言利用二元光学元件进行激光光束整形必然有越来越广泛的应用前景。 双折射透镜组是劳伦兹利弗莫尔国家实验室提出，它能随光束灵活地调节其透过 率函数，巧妙而方便的实现了激光光束空间整形。如图1 4 所示。该系统由两对双折射 晶体透镜和一个检偏器组成。每对双折射透镜由一个平凸和一个平凹透镜组成，其中平 凸透镜对于偏振光透镜中心相当于五2 波片，有效通光孔径边缘相当于4 波片；平凹 透镜中心相当于允4 波片，有效通光口径边缘相当于2 波片，平凸和平凹透镜平面向 外放置。激光器输出的线偏振光束通过该系统时，调节透镜组两个平凹透镜的主轴与透 镜组两个平凸的主轴的夹角，使入射到检偏器上的光束在不同的位置有不同偏振态，经 检偏后出射光就被整形为均匀的线偏振光。使用该系统进行光束整形的方法，灵活方便， 易于改变其透过率函数，尤其适用于线偏振的高斯光束的整形1 2 引。 jlz a 污氟a l 讼鼍龄 ? 爿 检偏器 图1 4 双折射透镜组整形系统结构 f i g u r e 1 4 t h es y s t e mo fd o u b l er e f r a c t o rf o rb e a ms h a p i n g 利用液晶空间光调制解调器实现激光光束整形实现了透过率的函数实时、可控，被 认为是一种可编程的光电型衍射光学元件【2 5 】，如图1 5 所示。液晶分子的旋光偏振性 和双折射性，通过外加电场影响液晶分子指向，从而影响液晶材料的折射率以此来实现 对激光光束的调制。利用液晶空间光调制器进行激光束整形实时、可控，但是它的像素 尺寸和间隙影响了整形效果，限制了在某些方面的应用。 通过对激光光束整形技术的调研得出：非透镜球面系统适合于单模激光光束；非球 面透镜阵列适合于多模激光光束；二元光学元件实现激光光束整形可以实现整形系统的 小型化、微型化等；双折射透镜组和液晶空间光调制解调器使得整形系统具有通用性。 大连理t 大学硕+ 学位论文 扩柬准直 计算机 图1 5 液晶空间光调制解调器 f i g u r e 1 5 t h es y s t e mo f s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rf o rb e a ms h a p i n g 以上就是对现有激光光束整形技术的概述，各种激光光束整形技术都有一定的应用 局限，并且在某些领域得到了成功应用。本文选择利用二元光学元件实现激光光束整形 进行研究。下节重点介绍什么是二元光学元件。 1 2 二元光学概述 1 2 。1 二元光学概念和优点 二元光学“b i n a r yo p t i c s ”是美国麻省理工学院( m i t ) 的林肯实验室主任维尔得 卡姆( w b v e l d k a m p ) 于1 9 8 7 年正式提出来的【1 8 l 。该术语定义为基于光波的衍射理 论，通过计算机辅助设计，利用超大规模集成( v l s i ) 电路制作工艺，在片基上刻蚀产 生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成多位相、同轴再现且具有极高衍射效率的一类 衍射光学元件的光学理论与技术【1 7 】。二元光学元件不同于传统的基于折发射原理的光 学器件，它具有特出的优点： ( 1 ) 高衍射效率 理论上来讲，具有高衍射效率的二元光学元件的各条纹间的位相变化是连续的( 即 衍射元件的表面结构的浮雕深度是连续变化的) ，但这种连续的位相变化在实际加工中 是难以制作的。二元光学技术是将这种连续的位相变化通过二进制量化为多台阶位相的 方法来逼近连续值。元件的衍射效率和台阶的关系为：1 1 = i s i n ( z l ) ( z l ) 1 2 ，三为相位 阶数，当= 2 、4 、8 和1 6 时，r = 4 0 5 、8 1 、9 4 9 和9 8 6 。 ( 2 ) 色散性能独特 用- 丁激光光束整形的二元光学元件的设计 二元光学元件是一色散元件，具有不同于常规的色散特性，可在折射光学系统中通 事校正球差和色差，利用折射元件的曲面提供聚焦功能，利用二元光学元件的浮雕相位 波带结构校正像差。因此，利用二元光学器件与传统光学相结合可以实现复消色差【2 6 1 。 ( 3 ) 热差特性【27 j 独特 传统光学具有正热差特性，存在温度离焦。特别是在红外光学系统中，热差特性更 为明显，温度能从二十几度上升到七十几度，热差造成的像面离焦有可能达到几十倍焦 深变化，这对优质成像是不允许的，需要重新调焦。所以可以利用二元光学器件具有负 热差的特性进行调焦。因此，二元光学与传统光学结合可以实现热稳定光学系统。 ( 4 ) 设计自由度多 在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同的光学 材料( 折射率) 校正像差，而在二元光学元件中，则可通过波带片的位置、槽宽与槽深及 槽形结构的改变产生任意波面。 ( 5 ) 材料可选性大 有一些材料在传统光学设计时很难选用，如z n s e 等，还有一些半导体材料，如s i 等。但是对以二元光学元件，材料的选择性很大，它是将二元浮雕面刑转移到玻璃、电 介质或者金属基底上就可以。 ( 6 ) 实现特殊的光学功能 传统的光学元件一般所实现的光波是球面波、平面波等，有许多特殊用途的波形是 实现不了的。但二元光学元件从理论上来讲可产生一般传统光学元件所不能实现的任意 光学波面：非球面、环状面、锥面和镯面等，并可与其他元件集成得到多功能元件：使 用亚波长结构的二元光学元件还可实现大宽带、大视场、消反射和偏振等的特性；此外， 此外，二元光学在促进微型化、阵列化、集成化方面更是具有特出的优越性。 由于以上二元光学元件在光波变换上所具有这些卓越的、传统光学所不具备的功能 而促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，被誉为“9 0 年代的光学技术” 2 8 1 。二 元光学元件的本质是以二阶的或多层台阶状的表面微位相结构对光的传播进行调至，完 成对光的引导、组合和分配等功能。综上，二元光学元件同时解决了元件的效率和加工 问题，它是以多阶相位结构来近似相息图的连续浮雕结构。如图1 6 所示。 1 2 2 二元光学发展概述 因二元光学元件具有传统光学元件所没有的优点，所以它适应了现代科学技术的信 息化、光学仪器的小型化、集成化和智能化以及光机电一体化的需求。自二十世纪八十 年代以来，在国际学术界和工业界掀起了研究热潮。 大连理工大学硕士学位论文 国外，以美国为首的西方发达国家如德、日、英、苏以及加拿大等国投入大量资金 开展这项研究。并且已有成果：b e ll c o r e 公司研制成应用于光计算、激光扫描的微透镜 阵列；美国休斯公司将二元光学元件应用于红外瞄准器中，使系统元件减少、系统变轻、 成像质量提高和成本降低；美国柯达公司使用复制手段，批量生产二元光学元件。瑞士、 日本等国的一些高校与研究所也相继开展这一领域的工作。此外，美国p e r k - e l m e r 公 司、j p l 喷气动力实验室和布朗、杜邦等公司都有二元光学研究成果及产品。 传统透镜 川 图1 6 折射透镜到二元光学元件浮雕结构的演变 f i g u r e 1 6 f o r mr e f r a c t o rt ob i n a r yo p t i c a le l e m e n t s 国内，中国科学院物理研究所、等离子体物理所、微电子研究中心、长春光机所、 清华大学等也开展了二元光学的研究，并取得了一定成果：中国科学院物理研究所杨国 祯和顾本源提出了任意线性变换系统中振幅一相位恢复的一般理论和杨一顾( y g ) 算 法，并成功的应用于多种衍射光学器件的设计；长春光机所使用薄膜沉积法和离子束刻 蚀法制作了衍射光学器件，并研制成功折衍混合小型c c d 相机，同时，在中科院的资 助下，研制成功激光直写设备，填补了国内空白。 二元光学的发展已经经历了三代： 第一代主要采用二元光学技术改进传统的折射光学元件，提高它们的性能。这类元 件主要用于像差校正和消色差、波面整形等。现在，二元光学的第一代应用技术已趋于 成熟，国际上大约有5 0 多家公司在利用混合型特出功能的元件设计新型光学系统。 第二代主要包括微光学元件和微光学阵列的应用，兴起与8 0 年代末。用二元光学 方法制作的微透镜阵列具有很高的衍射效率，并且可实现衍射受限成像。这种微透镜阵 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 列结构灵活( 矩形、圆形或者六方形排列) ， 椭圆面等) ，阵列透镜的“死区”可降到零， 储和激光束扫描等许多领域。 可以产生轮廓形状的透镜表面( 抛物面、 普遍应用于光通信、光学信息处理、光存 第三代即目前正在发展的一代，致力于多层或三维集成微光学，在成像和复杂的光 互连中进行光束变换和控制。多层微光学能够将光的变换、探测和处理集成在一起，构 成多功能集成化的光电处理器。 随着二元光学设计理论和制作工艺的不断完善和发展，二元光学元件会在军用、工 业和消费产品等领域获得越来越广泛的应用，从而最终形成二元光学产业。 1 2 3 二元光学技术应用 在经过了几十年来的研究，二元光学在应用方面取得了突破性的进展：。 ( 1 ) 校正像差 常规的用于像差校正的是非球面或一个多透镜组合系统，它存在加工制作难的问 题。利用二元光学波带板的焦距与使用波长成反比这一特性，将二元光学技术制造的像 差校正器与透镜结合就能实现像差校正并解决加工制作问题。通常的做法是在球面透镜 后表面刻制衍射结构的圆环。 1 9 8 8 年，斯渥森( s w a n s o n ) 和维尔得卡姆( v e l d k a m p ) 等人利用二元光学元件( b o e ) 的色散特性校正单透镜的轴上色差和球差，研制了新型的二元光学透镜( b o l ) ，奠定 了b o e 用于光学成像的巨大潜力和优势。自此之后，在世界范围内，越来越多的光学研 究人员开始进行二元光学透镜在光学成像领域中的应用研烈 】。 美国的p e r k i ne l m e r 公司成用应用二元光学元件于s c h m i d t 望远镜系统，球差“完 全 消除。之外，美国的h o n e y w e l l 公司将二元光学元件用于红外系统设计，实现变消 色差。 ( 2 ) 校正波面 二元光学元件理论上可以实现任意波前变换，所以其用于校正激光束波面。 1 9 7 1 年，达曼( d a m m a n n ) 提出并设计了二元相位光栅，将激光束进行分束或者 将n 束激光高效率的转换为单一激光束，从而提高了激光输出的功率。美国麻省理工学 院林肯实验室也在进行这方面的研究，他们已建立了一个装置，将多个光束转换为一个 相干光束。 二元光学技术对半导体激光器进行准直和消像散。半导体激光器存在一个很难 克服的缺点：发散的是非对称发散光椎，该缺点限制了它的进一步广泛应用。二元光学 技术的成功应用于半导体激光器克服了该缺点，使半导体激光器进入更多应用领域。比 大连理工大学硕士学位论文 如较成熟的d p s s l 技术，即用二元光学技术整形半导体激光器，代替传统的氙灯去泵浦 固体激光器，该激光器集中了半导体激光器和固体激光器的优势。 二元光学元件应用于激光光束整形。在激光作为光源的许多实际应用中，除要 求所输出激光束具有呈圆形外，还希望输出光束为矩形、h 型等不同形状，以满足不同 形状的工件加工或者检测的要求。 在强激光的应用中，例如惯性约束核聚变( i c f ) ，对激光光束焦斑的光强分布有 平顶、陡边、无旁瓣等特殊要求，二元光学器件被看成是解决i c f 光束匀滑的最有前途 的技术途径【2 明。上海光机所的“神光一i i 装置就采用了二元光学技术。i c f 的成功将 提供下一代取之不尽、用之不竭的清洁能源。 ( 3 ) 制作微型透镜阵列 二元光学元件是用超大规模集成电路工艺制造的，设计者能够在一块芯片上布置微 型光学元件阵列，甚至还可以布置完成集成化的光电处理器，它将导致各种全新的超密 集超小型传感系统的实现。作为朝这个方向迈出的第一步，研究人员已经制成了一些二 元光学透镜，这些透镜的直径与人头发的直径相近。w b v e l d k a m p 等人用新二元光学 技术与量子激光器光阵列技术相结合，提出“无长突神经细胞电子装置”。并采用微电 子技术成功地制作出二元光学微透镜阵列。这些微型透镜将不仅能将光线聚焦在细小的 光电探测器阵列上，它们还能在未来的图象处理系统中扮演重要角色1 3 0 。 ( 4 ) 用于生物视觉模拟 目前，视觉数据计算机评价用的系统是以探测器装置为基础，若使用二元光学微型 透镜，不仅可缩小占位空间，并可把数据加工用的处理器直接制到每个探测器单元上， 制成有效的仿生视觉系统，以代替目前所用的人工模拟试验。 利用二元光学元件可以把膜层上单个配置的光电探测器阵列相互连接起来，使视网 膜细胞相互接触，使计算机信息通过图像以光学方式转换，并传递到芯片上。将多个这 样的图像处理的芯片分等级配置在一起，最后就能制成模拟生物视觉的较完善的系统。 ( 5 ) 开发更新型仪器一微型光电机械系统 微光、机电系统( m i c r o o p t i c a l - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是近几年在微机 电系统( m e m s ) 中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微 机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。m o m e s 是一种可控的微光学系统，该 系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、衍射和反 射等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫描和成像等功能。该系统把微光学元件、 微电子和微机械装置有机地集成在一起，能够充分发挥三者的综合性能，不仅能够使光 学系统微型化而降低成本，而且可实现光学元件间的自对准，更重要的是这种组合还会 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 产生新的光学器件和装置。m o m e s 的出现将极大地促进信息通信、航天技术以及光学工 具的发展，对整个信息化时代将生产深远的影响。 总的说来，二元光学技术已经应用于许多领域，尤其是在折衍混合设计方面取得 明显进展。国内与国外的差距还很多，主要表现在：国内衍射光学的研究工作还仅局限 在实验室，很少甚至没有实现商品化。 1 3 本论文研究意义及主要内容 激光技术的广泛应用和某些应用中对激光光束的特殊要求促进了激光光束整形技 术发展，现有的多种用于激光光束整形的技术有：非球面透镜组、液晶空间光调制器、 双折射透镜组、二元光学元件等。其中二元光学元件适应了现阶段要求光学系统小型化、 集成化和阵列化等要求，并且具有传统光学元件所没有的优点，理论上可以实现任意波 前变换，所以在激光光束整形表现出广泛的应用前景。利用二元光学元件实现激光光束 整形是一种极有效的方法p j 。 本文在分析了现有激光光束整形技术的基础上，选择利用二元光学元件实现激光光 束整形。然后在对现有的用于激光波前整形的二元光学元件的设计原理、设计分析方法 和算法进行调研和分析的基础上，针对现有的算法存在受初始值影响大和收敛慢的问 题，尝试新算法进行二元光学元件的设计。并从设计具有可加工性元件的角度出发，利 用光学设计软件z e m a x 进行二元光学元件的匀化设计，得到了具有可加工性的面型方程。 本文各章节的具体内容为： 第一章，介绍激光光束整形意义、实现整形的技术和二元光学发展。 对现有的激光光束整形技术进行了综述和分析，比较各个整形技术的优缺点。之后 详细介绍了二元光学研究发展。最后得出本论文的研究意义和主要内容。 第二章，本章介绍了二元光学元件设计原理和二元光学元件设计分析方法。 首先介绍了二元光学元件的整形原理和设计原理，接着分述用于激光波前整形的二 元光学元件设计方法，着重介绍基于标量衍射理论的二元光学元件设计。之后详细的介 绍了基于标量衍射理论的二元光学元件设计算法。最后，对现有的这些二元光学元件设 计分析方法和基于标量衍射理论的设计算法优缺点进行评述。 第三章，在上一章对基于标量衍射理论的设计算法进行分析的基础上，针对现有的 设计算法存在的问题，尝试利用新算法进行二元光学元件的设计。 首先介绍了什么是人工鱼群算法和它应用于二元光学元件的可能性，接着尝试用人 工鱼群算法进行二元光学元件设计。为了证明该算法应用于二元光学元件设计的优势， 大连理工大学硕士学位论文 与盖师贝格一撤克斯通和基本遗传算法设计二元光学元件比较，比较结果表明该算法有 效的实现了激光光束整形。 第四章，基于z e m a x 的激光高斯光束匀化设计。 为了得到具有可加工性二元光学元件面型方程，利用光学设计软件的自动优化功能 进行二元光学元件的设计。在z e m a x 环境下编写m a c r o 命令，通过系统优化完成输出激 光束光强分布均匀化。 由光学设计软件得到的二元光学参数不是能实际加工的工艺参数，为了使设计有意 义，将z e m a x 得到的参数转化为工艺性参数，从而得到了具有可加工性的面型方程图。 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 2 二元光学元件设计理论 2 1 二元光学元件设计原理 二元光学元件的设计类似于光学变换系统中的相位恢复问题：已知输入、输出平面 上光场振幅分布，求输入平面上光场的相位分布b ，y ) 。如图2 1 所示，已知输入面p l 上光场的振幅分布f g ，y ) 和输出面p 2 上光场的振幅分布g ，y ) ，求输入面p 1 处b o e 的相 位分布g ，y ) ，使得衍射后输出光场的振幅分布，g ，y 。) 尽量接近于所需要的理想分布 ，g ，j ，) 。 图2 1 二元光学元件的设计系统 f i g u r e 2 1o p t i c a ls y s t e mo fd e s i g n i n gb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s 激光器输出的高斯光束传播至二元光学元件时，光波的相位分布被调制，调制后的 光波可以表达为厂g ，y ) - - i i ( x ，j ，】乖e x p o 矽) 。其中光波的振幅i 厂g ，y 】= f g ，y ) 为高斯 分布，光波的相位为矽( x ，y 。) ，它等于二元光学元件的相位函数。因此二元光学的设计 问题是如何去构造一个新的位相分布函数矽( x ，y ) 。 输入输出光束之间依据是否满足一定条件选择不同方程，一般分为菲涅耳衍射公式 和夫朗和费衍射公式： ，g ，y ) = 面e x p ( i k l ) 业* 。“) e x p 隹k x ) 2 ) + ) 2 舾( 2 - ) 大连理工大学硕士学位论文 如y ) = 瓦1e x p k 乃+ 等 m y ) e x p 等埘出咖 亿2 ， 通常采用均方根误差肱范m 1 、顶部不均匀度盯1 3 1 和衍射效率刁来对输出光束质 量进行评价： e i ；( x ，y ) 一，( x ，y ) 1 2 肚耵 q 3 队训) 1 2 ( 2 4 ) 弘。磊。 华 2 乒- 1 ) 亿5 ， ( 训) e w l j ，g ，y )- 一、7 ，”= 垃生l ( 2 6 ) x i ( x ，j ，) 驴警砑 q 7 式中i ( x ，y ) 代表实际的输出光强分布，g ，y ) 为理想的输出光强分布，形输出均匀 区域，n 为均与区域内的采样点数。 式中：n 为迭代次数，为输出区域 2 2 二元光学元件设计主要分析方法 根据上节介绍的二元光学元件实现整形原理和设计原理，我们可以了解到二元光学 元件的设计问题就是求二元光学元件的位相分布函数，使得它能正确的调制输入光场， 高精度的给出输出光场。 根据所设计的二元光学元件特征尺寸与所调制的激光波长的关系，将二元光学元件 的设计分析分为下面三种方法：几何理论分析法( g e o m e t r i ct h e o r y ) ；标量衍射理论分析 法( s c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r y ) ；矢量理论分析法( v e c t o rd i f f r a c t i o nt h e o r y ) 。 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 2 2 1 几何理论分析方法 衍射光学元件的衍射特征尺寸远远大于波长时，场的一般性质和平面波相同。所有 光学现象由几何光学的方法导出，其方法称为“光线光学 方法【3 3 1 ，方法是有已知的输 入场和出射场分布以及入射场坐标根据能量守恒求得出射场坐标，然后再由入射场坐标 和出射场坐标求出b o e 的相位分布函数。采用几何光学理论来设计二元光学元件的特点 是：简单、容易但精度不高。 2 2 2 标量衍射理论分析方法 光是电磁波，光的波动性的特征之一就是衍射一光偏离直线传播。当满足条件： ( 1 ) 元件特征尺寸远大于波长： ( 2 ) 观察衍射场处离衍射元件足够远。 把光作为标量来处理，即只考虑电磁场的一个横向分量的复振幅，并假设任何其 它有关分量可以同样的方式独立处理。通常将光的衍射分为三种类型：具有普遍意义的 基尔霍夫衍射理论、满足特出条件成立的菲涅耳衍射( f r e s n e l ) 和夫琅和费衍射 ( f r a u n h o f e r ) 。实际中依据不同的边界选择不同的衍射积分。 ( 1 ) 基尔霍夫衍射公式 亥姆霍兹一基尔霍夫定理：空间任一点p 处的电磁场e ( p ) 可以用包围这一点的任 意封闭面上的电磁场u 及其一阶法向偏导数c 3 u n 来求出，如图2 2 。 图2 2 球面波照明开孔的衍射 f i g 2 2 d i f f r a c t i o nf r o mp u p i l 大连理工大学硕士学位论文 e ( 尸) ：! - - 7f p ( q ) 型( 竺堂之型) 凼 ( 2 8 ) i ，oorz 上式中，( 厂( q ) 表求屏上的任一点q 的复振幅，r 是观察点p 到屏上q 点到的矢量， r = l r i ，r l 是点源& 到屏上q 点的矢量，n 为屏上的外向法线，c o s ( n ，r ) 表示外向法线 n 与r 矢量之夹角的余弦，c o s ( n ，) 表示外向法线n 和矢量之夹角的余弦。 当入射光为垂直入射的平面波时，c o s ( n ，r 1 ) = - 1 ，e o s ( n ，r ) = c o s o ，0 为入射光和 衍射光之间的夹角，即衍射角。此时基尔霍夫衍射公式可表示为： 即) = 了11 f u ( q ) 掣即) 凼 ( 2 9 ) 其中k ( 臼) ：l + _ c o - s ( 一o ) ，称为倾斜因子。 如果在屏所在平面( 即输入平面) 和观察平面( 即输出平面) 内分别建立直角坐标 系x y z 和妣，且两平面间的距离为乃。则式( 2 7 ) 可表示为： e ( ) ：- 7f p ( x ，y ) 型k ( 9 ) 螂 ( 2 1 0 ) j。x| 上式中，光波的传播距离r = o 一_ ) c ) 2 + ( ，一y ) 2 + 艺，倾斜因子 k(臼)：x(u-x)2+(v-y)2+z2+za 、 2 x ( u - x ) 2 + ( v y ) 2 + z ； 在实际应用公式( 2 - 8 ) 解决衍射问题时，即使对简单的衍射物体也很难得出解析的 结果。为了简化衍射数学计算对上式做进一步近似处理。根据近似程度的不同分为：菲 涅耳衍射和夫朗禾费衍射。 ( 2 ) 菲涅尔衍射 当输入平面和输入平面的距离乃满足菲涅尔近似条件 乃 磊 一x ) 2 + ( v y ) 2 2 麟时，可得到菲涅尔衍射公式： 脚)-exp(ikza)。s。s吣川exp悟(u-x)2+(v-y)2_ldxdyja,zd ( 2 1 1 ) 【z 口z 。 展开指数中的二次项得， 用于激光光束整形的二元光学元件的设计 u ( 五y ) = 瓦le x 刚垃) e x ，去( x 2 + 内 u ( x 0 2 + 乩2 ) e x p 一警慨+ 瞒) 】) 砒( 2 1 2 ) 2 瓦1e 袱廨性 f t u ( x o , y o ) e x 惦毗老 式中刀表示傅里叶变换，上式为傅里叶变换形式的菲涅耳衍射公式，六， 为空间 频率。 ( 3 ) 夫朗和费衍射 当输入平面和输入平面的距离乃满足夫琅和费近似条件乃 等( x 2 + y 2 ) 一时，可 几 得到夫琅和费衍射公式： 驯= 瓦1e x 救乃+ 筹牌施栏一巾亿 = 击e x p e x 0 去h y 2 巾7 舢k 勃：老 用标量衍射理论来进行二元光学元件设计的特点是：简单、容易实现，提高了算法 的精度和运行速度。基于标量衍射理论的算法有g - s 3 2 1 、y - g d 4 等局部搜索算法到模拟 退火【3 5 1 、遗传算法等全局搜索算法，和局全部联合搜索算法【3 7 】等混合类算法，使得 衍射光