复杂场高斯光束匀化技术研究
发布时间：2021-09-05 01:38
伴随科技的迅速发展,许多领域的研究有了突破性进展。激光器自从1960年代出现以来也已逐渐从军用领域进入民用领域。从只能在液氮创造的极低温状态下发射脉冲,到液相外延及气相外延的异质结介入使得激光能在室温下稳定发出;又从单异质结到阈值电流密度更低、更高效限制辐射复合的双异质结;再从半导体到如今的光纤、量子激光器,随着微电子领域,光电领域的技术革新,激光已在日常生活应用中延拓。为了更有效地利用激光,对激光进行匀化成为了一项重要课题。光束匀化的概念已提出半个多世纪,其属于非成像设计,也是一种典型的逆向设计。在前人的努力下,无论是单一光场还是复杂光场下的高斯光束数理模型已取得了长足的发展,但随着医疗、制造、航天领域的不断进步,各领域对于激光的各项使用性能和精度要求不断提升,在光能效率、加工手段、应用范围等方面依然存在诸多技术难题。本文在兼顾匀化效率和制造工艺的情况下,选择非球面透镜组深入进行激光匀化技术研究。传统的非球面透镜在需要大量算力的前提下可以基本满足小功率激光器的基模高斯光束匀化,如果要求加大额定功率,基模的高斯光束就会转化为复杂场下的高阶模（拉盖尔光束、厄米特光束等）,而此时传统的设计...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１激光划线（ａ）非均匀光束，（ｂ）均匀光束??
具备长距离传播能力。??由于非球面的加工难度大，所以之后很长一段时间研宄方向向出射光斑的形??状分布发展，并且随着科技的发展，多种多样新兴的光束匀化方式出现了。??１９９６年，美国学者Ｄｉｃｋｅｙ提出了微透镜阵列匀化法ｔ１５＿１６］。最初，人们设计??的微透镜阵列匀化系统由阵列结构Ｌ１和聚焦结构Ｌ２组成，Ｌ１的紧密排列??的微小透镜可以将入射的光束进行分割，而根据分割的特点和映射关系可以将每??一个透镜设计成折射型，衍射型等阵列方式。分割后的细光束再通过Ｌ２汇聚??到目标范围中，如图１．３（ａ），从而将入射光的振幅分布不均匀性加以改善。这种??透镜的优势在于效率高，辐照均匀，体积小，而且对于光束的振幅（能量）分布??不敏感，但是缺点也很明显，尤其是针对特殊面型：由于聚焦时各子光束的相干??性较好，在目标平面叠加时就会产生干涉现象，而干涉的结果就是合成光强远大??于原光强之和，最终在焦平面上体现为在较小的区域中能量不均；由于微细加工??的水平有限，导致透镜间的缝隙往往不能满足光学条件要求的公差值，使得透镜??的排列不紧凑，最终会在这些“工艺盲区”产生菲涅尔衍射，降低光束质量；装??配复杂困难，需要反复调整。??Ｍｘｒａ３ａｕｊｊ＊Ｖｎａｖ?（?＾ｒｂ．－１?ｃｎ；．??ｋ?ｆ?乂?：??（ａ）?（ｂ）??图１．２?（ａ）微透镜匀化原理，（ｂ）?ＰＭＭＡ微透镜匀化透镜??３??
位置，那么对于场镜来说，它更适用于一种小衍射的平顶光束匀化。德国公司??ＭｏｌＴｅｃｈ?ＧｍｂＨ也有成熟的商业匀化器。??＾?￣ｐｒｉ．Ｖｎｉｒｉｒ?￣?－?－?－?ｒ？篇－??＿《．ＩＨ??图１．４?Ｈｏｌｏ／Ｏｒ公司的场镜三围模型构建和光路追迹模型??．ＶＪＴＷｌ＾ＷＩ??Ａ?＾??／?＼ｖ．?＾Ｓｔｔａｐｅｒ?Ｇ＿Ｃ＿１０＆４?丨?Ｊ??＿?—??图?１．５?ＭｏｌＴｅｃｈ?ＧｍｂＨ?公司?ｎ?Ｓｈａｐｅｒ?句化器??１．３．２激光匀化技术国内研究现状??国内研究人员对于ＤＯＥ技术开展了大量研究，提出了一些新的算法完善了??ＤＯＥ理论研究。其中最著名的就是ＹＧ算法由中科院物理所的杨国桢和顾??本源根据ＧＳ算法的缺点进行了改进之后得出的一种算法。该法在ＧＳ算法基础??上，将输入光束振幅与初始相位组成输入函数，在迭代时分别判断内循环和外循??环中相位和振幅是否收敛，特点是对于ＧＳ算法进行了推广，衍射效率高，但对??于初始值敏感，计算量巨大。大连理工大学胡家升、林勇提出了?ＧＳＧＡ算法［３７］，??该法结合了?ＧＳ算法和ＧＡ算法的优势，先用ＧＳ算法仇的局部最优解，再引入??随机扰动幅度｜３，将前后相位屏叠加后判断评价函数，特点是收敛速度快，收敛??精度高。??随着加工技术的进步，出现了光学自由曲面光束匀化方式。光学自由曲面是??基于轻量化、集成化、高性能的工业应用要求而诞生的自由度极高的曲面，在匀??化光学系统中，通过初始光源和目标光分布的函数映射来构建特定的透镜面型或??者反射镜面型以达到匀化效果。这种映射本质是对于算法进行的一次参数求解，??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接输出高阶横模激光器的实验研究[J]. 陈霞飞,张凯伦,陈子阳,李小燕,蒲继雄. 红外与激光工程. 2018(06)
[2]利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束[J]. 郭帅凤,刘奎,孙恒信,张俊香,郜江瑞. 量子光学学报. 2015(01)
[3]基于均匀度和平稳度的激光光束匀化性评价[J]. 李丽,韩学勤,赵士伟,包鸿音,王兴宾. 激光与光电子学进展. 2014(01)
[4]高斯光束非球面镜整形系统的设计[J]. 冯科,李劲松. 光电工程. 2013(05)
[5]高斯光束整形为平顶光束的双凸非球面镜的数值模拟与分析[J]. 陈凯,陈檬,李港,牛岗,樊仲维,麻云凤. 激光与红外. 2010(10)
[6]光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法[J]. 陈晓西,黄子强,杨文君. 红外与激光工程. 2010(01)
[7]微光学元件阵列面阵LD光束整形及光纤耦合[J]. 周崇喜,杜春雷,谢伟民,杨欢. 红外与激光工程. 2009(03)
[8]正交光楔列阵光学系统的小尺度不均匀性[J]. 郑建洲,于清旭,关寿华. 光学精密工程. 2009(01)
[9]激光光束的整形技术[J]. 林勇,胡家升. 激光杂志. 2008(06)
[10]一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法[J]. 林勇,胡家升,吴克难. 光学学报. 2007(09)
博士论文
[1]拉盖尔高斯光束的产生及其轨道角动量探测[D]. 魏敦钊.南京大学 2018
本文编号：3384415
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１激光划线（ａ）非均匀光束，（ｂ）均匀光束??
具备长距离传播能力。??由于非球面的加工难度大，所以之后很长一段时间研宄方向向出射光斑的形??状分布发展，并且随着科技的发展，多种多样新兴的光束匀化方式出现了。??１９９６年，美国学者Ｄｉｃｋｅｙ提出了微透镜阵列匀化法ｔ１５＿１６］。最初，人们设计??的微透镜阵列匀化系统由阵列结构Ｌ１和聚焦结构Ｌ２组成，Ｌ１的紧密排列??的微小透镜可以将入射的光束进行分割，而根据分割的特点和映射关系可以将每??一个透镜设计成折射型，衍射型等阵列方式。分割后的细光束再通过Ｌ２汇聚??到目标范围中，如图１．３（ａ），从而将入射光的振幅分布不均匀性加以改善。这种??透镜的优势在于效率高，辐照均匀，体积小，而且对于光束的振幅（能量）分布??不敏感，但是缺点也很明显，尤其是针对特殊面型：由于聚焦时各子光束的相干??性较好，在目标平面叠加时就会产生干涉现象，而干涉的结果就是合成光强远大??于原光强之和，最终在焦平面上体现为在较小的区域中能量不均；由于微细加工??的水平有限，导致透镜间的缝隙往往不能满足光学条件要求的公差值，使得透镜??的排列不紧凑，最终会在这些“工艺盲区”产生菲涅尔衍射，降低光束质量；装??配复杂困难，需要反复调整。??Ｍｘｒａ３ａｕｊｊ＊Ｖｎａｖ?（?＾ｒｂ．－１?ｃｎ；．??ｋ?ｆ?乂?：??（ａ）?（ｂ）??图１．２?（ａ）微透镜匀化原理，（ｂ）?ＰＭＭＡ微透镜匀化透镜??３??
位置，那么对于场镜来说，它更适用于一种小衍射的平顶光束匀化。德国公司??ＭｏｌＴｅｃｈ?ＧｍｂＨ也有成熟的商业匀化器。??＾?￣ｐｒｉ．Ｖｎｉｒｉｒ?￣?－?－?－?ｒ？篇－??＿《．ＩＨ??图１．４?Ｈｏｌｏ／Ｏｒ公司的场镜三围模型构建和光路追迹模型??．ＶＪＴＷｌ＾ＷＩ??Ａ?＾??／?＼ｖ．?＾Ｓｔｔａｐｅｒ?Ｇ＿Ｃ＿１０＆４?丨?Ｊ??＿?—??图?１．５?ＭｏｌＴｅｃｈ?ＧｍｂＨ?公司?ｎ?Ｓｈａｐｅｒ?句化器??１．３．２激光匀化技术国内研究现状??国内研究人员对于ＤＯＥ技术开展了大量研究，提出了一些新的算法完善了??ＤＯＥ理论研究。其中最著名的就是ＹＧ算法由中科院物理所的杨国桢和顾??本源根据ＧＳ算法的缺点进行了改进之后得出的一种算法。该法在ＧＳ算法基础??上，将输入光束振幅与初始相位组成输入函数，在迭代时分别判断内循环和外循??环中相位和振幅是否收敛，特点是对于ＧＳ算法进行了推广，衍射效率高，但对??于初始值敏感，计算量巨大。大连理工大学胡家升、林勇提出了?ＧＳＧＡ算法［３７］，??该法结合了?ＧＳ算法和ＧＡ算法的优势，先用ＧＳ算法仇的局部最优解，再引入??随机扰动幅度｜３，将前后相位屏叠加后判断评价函数，特点是收敛速度快，收敛??精度高。??随着加工技术的进步，出现了光学自由曲面光束匀化方式。光学自由曲面是??基于轻量化、集成化、高性能的工业应用要求而诞生的自由度极高的曲面，在匀??化光学系统中，通过初始光源和目标光分布的函数映射来构建特定的透镜面型或??者反射镜面型以达到匀化效果。这种映射本质是对于算法进行的一次参数求解，??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接输出高阶横模激光器的实验研究[J]. 陈霞飞,张凯伦,陈子阳,李小燕,蒲继雄. 红外与激光工程. 2018(06)
[2]利用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束[J]. 郭帅凤,刘奎,孙恒信,张俊香,郜江瑞. 量子光学学报. 2015(01)
[3]基于均匀度和平稳度的激光光束匀化性评价[J]. 李丽,韩学勤,赵士伟,包鸿音,王兴宾. 激光与光电子学进展. 2014(01)
[4]高斯光束非球面镜整形系统的设计[J]. 冯科,李劲松. 光电工程. 2013(05)
[5]高斯光束整形为平顶光束的双凸非球面镜的数值模拟与分析[J]. 陈凯,陈檬,李港,牛岗,樊仲维,麻云凤. 激光与红外. 2010(10)
[6]光寻址液晶空间光调制器用于激光光束整形的可控系统和设计算法[J]. 陈晓西,黄子强,杨文君. 红外与激光工程. 2010(01)
[7]微光学元件阵列面阵LD光束整形及光纤耦合[J]. 周崇喜,杜春雷,谢伟民,杨欢. 红外与激光工程. 2009(03)
[8]正交光楔列阵光学系统的小尺度不均匀性[J]. 郑建洲,于清旭,关寿华. 光学精密工程. 2009(01)
[9]激光光束的整形技术[J]. 林勇,胡家升. 激光杂志. 2008(06)
[10]一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法[J]. 林勇,胡家升,吴克难. 光学学报. 2007(09)
博士论文
[1]拉盖尔高斯光束的产生及其轨道角动量探测[D]. 魏敦钊.南京大学 2018
本文编号：3384415
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