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。

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；ZEMAX

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