用于激光光束整形的二元光学元件设计

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