摘要：隨著激光技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的越來(lái)越廣泛應(yīng)用，人們對(duì)激光光束質(zhì)量提出了更高要求。而激光光束呈高斯分布和傳播路徑是雙曲線的特性，限制了它在某些方面的應(yīng)用，因此對(duì)激光光束進(jìn)行整形的研究變得尤為重要。

現(xiàn)有的用于激光光束整形的技術(shù)有多種，而利用二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形是其中的一種比較有效的方法，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

本文是在對(duì)國(guó)內(nèi)#F-元光學(xué)元件設(shè)計(jì)算法進(jìn)行調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)原有設(shè)計(jì)算法存在的某些問(wèn)題，進(jìn)行理論分析和計(jì)算機(jī)模擬：并在對(duì)光學(xué)軟件學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光束整形。

具體內(nèi)容：

(1)首先概括介紹了激光光束整形技術(shù)和二元光學(xué)知識(shí)，之后重點(diǎn)介紹了二元光學(xué)實(shí)現(xiàn)激光光束整形技術(shù)：詳細(xì)介紹和分析了二元光學(xué)元件整形原理、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)分析方法和設(shè)計(jì)算法。

(2)針對(duì)現(xiàn)有的算法存在受初始值影響大和收斂速度慢的問(wèn)題，嘗試采用新算法一人工魚(yú)群算法來(lái)進(jìn)行二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明新算法較好的實(shí)現(xiàn)了光束整形，其整形結(jié)果優(yōu)于蓋師貝格一撤克斯通(Gerchberg-Saxton，G-S)算法和基本遺傳算法(GA)。

(3)從設(shè)計(jì)具有可加工性元件的角度出發(fā)，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來(lái)設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)激光光束整形。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX與VC++的外部接口，編寫了表面面型設(shè)計(jì)程序，得到了具有可加工性的面型分布方程。

關(guān)鍵詞：激光波前整形；二元光學(xué)元件；人工魚(yú)群算法；光學(xué)設(shè)計(jì)；ZEMAX

1 緒論

1.1 激光波前整形技術(shù)概述

自激光器問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，可以說(shuō)現(xiàn)階段國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)防和科學(xué)研究等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用激光技術(shù)，即已經(jīng)找不到不應(yīng)用激光技術(shù)的領(lǐng)域和部門了。而激光光束呈高斯分布和傳播路徑是雙曲線的特性限制了激光技術(shù)在某些領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。比如在非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)中，要求抽運(yùn)激光束強(qiáng)度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束的非均勻性會(huì)導(dǎo)致一種“B”積分，使輸出光束質(zhì)量變壞，甚至損壞激光工作物質(zhì)。所以說(shuō)，激光光束的質(zhì)量直接影響激光技術(shù)的應(yīng)用水平和激光器的整體性能。因此，對(duì)激光光束進(jìn)行整形變得尤為重要，由此產(chǎn)生了多種激光光束整形技術(shù)。近年來(lái)，激光光束整形技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。所謂激光光束整形技術(shù)是指改變?nèi)肷浼す馐�的�?qiáng)度分布為所需要的強(qiáng)度分布，同時(shí)調(diào)整光束的相位分布來(lái)控制傳播路徑。

在激光光束整形中，最常用的是將高斯分布的激光束整形為均勻分布，即激光束勻滑技術(shù)。最初是用光闌從擴(kuò)束準(zhǔn)直的激光束中提取所需要的均勻強(qiáng)度分布，如圖1.1所示，但是這種方法使能量損失嚴(yán)重；接著1965年Frieden提出了無(wú)能量損失的相位型光束整型系統(tǒng)，它是基于幾何光學(xué)原理，采用兩個(gè)非球面透鏡結(jié)構(gòu)將高斯光束整形為均勻光束；之后又出現(xiàn)了針對(duì)于激光器發(fā)出多模光束的微透鏡陣列、可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的二元光學(xué)元件和具有靈活性、更好通用性的雙折射透鏡組以及液晶空間光調(diào)制器。

圖1.1激光束勻滑技術(shù)整形示意圖