用于激光光束整形的二元光學(xué)元件設(shè)計(jì)
本文在對現(xiàn)有的激光光束整形技術(shù)和二元光學(xué)元件技術(shù)的整形原理、設(shè)計(jì)分析方法和算法進(jìn)行調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)有用于實(shí)現(xiàn)激光波前整形的二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)算法存在受初始值影響大和收斂速度慢的問題,嘗試地采用新算法進(jìn)行二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)。
Frieden提出的無能量損失的相位型光束整型系統(tǒng)是針對單模激光光束,且整形效果好。這種系統(tǒng)通過一個(gè)平一凹非球面鏡和一個(gè)平一凸非球面鏡的非球面透鏡結(jié)構(gòu)將高斯分布的激光光束調(diào)制為均勻分布。如圖1.2所示。非球面的設(shè)計(jì)原理是:根據(jù)能量守恒原理建立輸入非球面光線和輸出非球面光線之間的映射關(guān)系,來確定折射光線的方向余弦:建立光線輸入非球面相位函數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于相應(yīng)光線的方向余弦方程,求解方程即可得到相位函數(shù)。 圖1.2 非球面透鏡組整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Frieden提出的雙分離透鏡系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換率高、可實(shí)現(xiàn)任意波前變換及同軸等優(yōu)點(diǎn),但當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件很難實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的非球面面型加工。之后出現(xiàn)了許多改進(jìn)系統(tǒng):Shafer試圖利用雙膠合球面鏡代替系統(tǒng)中的非球面鏡,但帶來的缺點(diǎn)是影響了輸出光束質(zhì)量;Hoffnagle和Jefferson峭J利用兩個(gè)平一凸非球面鏡系統(tǒng),一定程度上降低了元件的制作難度;Evans和Shealy利用三個(gè)漸變折射率鏡片設(shè)計(jì)系統(tǒng),雖然元件個(gè)數(shù)有所增加,但每個(gè)元件均由球面構(gòu)成,降低了制作難度等其他改進(jìn)方法。 微透鏡陣列又稱為蠅眼透鏡,是為解決多模激光束的整形問題由Dickey等人在2000年首先提出。之后還提出了有圓柱體透鏡陣列、光楔聚焦陣列等。如圖1.3所示。這種類型的陣列系統(tǒng)是由兩部分組成:第一部分是多個(gè)焦距和尺寸相同的小透鏡組成的微透鏡陣列,該陣列將激光光束進(jìn)行分割;第二部分是球面聚焦透鏡,球面聚焦透鏡將微透鏡陣列分割為些許子束進(jìn)行疊加,以此消除激光光束分布無規(guī)則的影響,實(shí)現(xiàn)了均勻照明。由于陣列表面有空隙,微透鏡邊緣要發(fā)生菲涅耳衍射,能量會(huì)有所損失;又因?yàn)樗峭ㄟ^子波的疊加產(chǎn)生均勻分布,所以要在靶面上不可避免的產(chǎn)生干涉條紋,該干涉條紋影響了整形效果。 圖1.3微透鏡陣列整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu) |
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