Design of Diffractive Optical Elements Used for Beam Shaping in the Fresnel Domain

In the Fresnel transform domain, an effective improvement to the conventional iterative algorithm for designing the diffractive optical elements (DOEs) used for spatial beam shaping has been proposed. The algorithm can successfully achieve to design DOEs for beam shaping. Compared with conventional algorithm, this algorithm can provide faster convergence, more powerful ability to overcome local minimum problem and better shaping quality. By computer simulation, the result has shown that the DOEs designed by this algorithm has snch advantages as high uniformity at the main lobe, low profile error and steep edge.

面向光束整形的自由曲面衍射光学设计方法(特邀)

光束整形技术能够实现激光光束能量分布的良好控制,在激光加工、医疗、激光核聚变等方面具有广泛的应用前景。光束整形方法主要分为几何光学方法和物理光学方法两大类,其中几何光学方法由于忽略了衍射效应,导致一些情形下的光束整形效果不够精细,但却能为物理光学方法提供良好的优化起点。结合几何光学方法和物理光学方法的复合设计方法能够设计出易于加工的自由曲面衍射光学元件,同时能抑制杂散光和散斑噪声。首先回顾了物理光学方法,然后综述了几何光学-物理光学复合设计方法的研究进展,最后对衍射光学元件设计方法的未来发展方向进行了一定的展望。

用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.

采用分步迭代算法设计制作衍射光学元件

结合均匀照明相位器件的设计实例,介绍最新提出的基于迭代框架的优化方法,并应用该方法设计制作了16台阶的衍射光学元件并对其进行了测试,验证了设计原理及方法的正确性,且对加工中可能出现的误差进行了分析和讨论。测试结果验证了采用多台阶相位结构的设计方案能有效提高工艺宽容度。

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。

YG算法设计分数傅里叶变换衍射光学光束整形器件

针对分数傅里叶变换衍射光学光束整形器件,比较了按离散点与按菲涅耳积分计算得到的变换矩阵间的差距,从中分析得出按离散点计算的变换矩阵引入的离散化误差与分数傅里叶变换系统参数的关系.模拟计算结果表明,该离散化误差不能忽略.为了在输出面上得到真实的光强分布,应采用菲涅耳积分计算其变换矩阵.鉴于该变换矩阵非幺正,本文利用YG算法进行了光束整形器件的设计.

衍射光学元件在卫星激光通信终端中的潜在应用(英文)

卫星激光通信技术是目前通信技术领域的研究热点,而光学子系统的优化设计是其重要研究方向。主要介绍了利用衍射光学元件实现卫星激光通信终端的小型化、集成化和高效化。文中首先简要介绍卫星激光通信系统的基本原理,随后介绍了衍射光学元件在卫星激光通信终端中的各种可能应用,包括光束整形和分光,光学滤波,防反射镀膜,像差和热差补偿等。给出了一个包含衍射光学元件的激光通信终端光学系统优化设计实例,相应的数值仿真结果表明:衍射光学元件与传统光学元件相比,具有明显优势。

基于改进GS算法的衍射光学光束整形元件的设计

利用不动点迭代法解非线性方程以加速迭代过程的思想对 GS 算法进行了改进,用改进的 GS 算法设计了将高斯光束整形为两束圆形光束的16台阶衍射光学元件.模拟结果表明,相对于 GS 算法,用改进的算法设计出的衍射光学光束整形元件,均方误差(SSE)减少了33.05%,拟和系数(η)提高了0.68%,优化了整形光束的性能质量;同时该算法能减小 GS 算法对迭代初值的依赖性,促使 GS 算法跳出陷入局部最优解的困境.

投影光刻离轴照明用衍射光学元件设计

离轴照明作为一种重要的分辨率增强技术被广泛地应用于投影光刻系统。使用衍射光学元件(DOE)作为光刻照明系统的光束整形器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制离轴照明光束的形状及光强分布。本文利用基于傅里叶变换的分步迭代方法,优化设计了该类衍射光学元件(DOE)。DOE采用了多台阶位相结构,设计所得8台阶DOE设计结果分别实现了偶极、四极、环形及Bulls-Eye等照明方式,其照明效率都达到了80%以上,与目标光强分布的均方根偏差均<7%。

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm·mrad和8.9 mm·mrad。在整形实验中测得变换后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm·mrad和9.5 mm·mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200μm,数值孔径0.22的光纤耦合。

用衍射光学元件提高出射光束的焦深

本文使用衍射光学元件来提高激光束的焦深。利用Ｙ－Ｇ算法，在已知入射和出射光波函数的条件下，计算出衍射光学元件的位相分布。

位相型衍射光学元件设计的混合算法

针对传统的光束整形算法在设计位相型衍射光学元件时效果差的缺点,本文提出了一种适合于位相型衍射光学元件设计的新混合算法。该混合算法是将变尺度BFGS算法融入遗传算法中,其中变尺度BFGS算法主要用于局部搜索,同时将罚函数优化准则用于成本函数的构造中。相比于传统的优化算法,该混合算法具有效率高、收敛快和稳定性好等优点。作为一个设计实例,我们分别将传统模拟退火算法和该混合算法应用到高斯光束整形中,进行了数值模拟,为了考察该混合算法的可靠性,设定了衍射效率和信噪比两个技术指标。设计结果表明:该混合算法收敛速度快,设计效费比优,仅需少量的迭代次数就能达到高衍射效率和高信噪比的要求。用该混合算法设计的衍射光学元件,能极大地改善整形效果,在均匀性要求较高的场合有广泛的应用前景。

衍射光学元件设计参数对杂散光的影响(英文)

衍射光学元件被广泛应用于激光光束整形领域中。然而,在实际测量中常常发现衍射效率实际的测量值与设计值存在较大的偏差,原因之一在于输出的焦斑主瓣以外会产生高级次衍射杂散光。文中从理论上推导了高级次衍射杂散光产生的原因并对具有不同设计参数的衍射光学元件进行了仿真分析。通过研究,定义了一个新的参数,相对周期。它与光波波长成正比,与衍射光学元件的采样单元尺寸以及远场衍射角成反比。结果表明,衍射光学元件的衍射效率只是关于相对周期的函数,而与焦斑主瓣的具体形状无关。随着相对周期的增加,衍射效率随之增大。所以可通过适当选取远场衍射角和采样单元尺寸的参数以调整相对周期的大小,有效抑制高级次衍射杂散光。该参数在衍射元件的设计中具有重要的指导意义。

二维光束整形的衍射光学元件设计

采用加权串行迭代算法(WSI)设计衍射光学元件(DOE),将二维圆形高斯分布的激光光束分别整形为二维正方形和三角形的均匀光束,同时实现了光束形状改变及振幅分布均匀化的功能。模拟计算结果表明,用WSI设计得到的输出波形形状基本达到要求,转换到均匀区的能量效率分别达到95.3％、93.6％。

实现长焦深的衍射光学元件设计方法

提出了一种设计长焦深小焦斑衍射光学元件的方法.该方法采用ZEMAX光学设计程序,利用能量守恒原理求解目标函数,并综合考虑焦斑大小保持不变的要求,对目标函数进行了修正,通过修正后的函数来约束输出光束在焦深范围内的轴上位置,从而完成衍射光学元件的相位优化,并求得相应的工艺参数.该元件不但可以使激光束具有长焦深和小焦斑,而且还具有可加工性.焦深范围能达到2 mm,焦深范围内光斑半径在5.32～10.48μm变化,与相同参数的传统光学元件相比,焦深增加了8倍,焦斑半径变化很小,而普通光学元件在此范围内最大焦斑半径达到102.9μm.该方法为长焦深元件的设计、加工与制造提供了可行方案.

基于迭代傅里叶变换算法的光束整形元件位相编码的优化设计

基于迭代傅里叶变换算法 ,提供了对具有 2个台阶二元光束整形元件进行位相编码的优化设计方法 ,详细研究了初始位相选取以及引入强度自由度、位相自由度在迭代傅里叶变换算法中对再现像品质的影响 。

衍射光学元件设计中的插值迭代方法

在I-O算法的基础上提出一个适合于FFT迭代计算的DOE精细化设计方法.并对此方法进行了重复性计算实验.结果表明,这种精细化设计方法可以比较有效地改善设计目标的PV与RMS值,具有较好的可重复性,为后续的模拟退火优化提供了比较良好的初始位相结果.

同时实现多角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件

本文利用长焦深器件设计思路 ,提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法 ,并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计 .基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法 ,设计了器件的相位分布 ,在 3 0°、45°、5 5°非垂轴面上光斑不均匀性分别为 5 .91 %、4.0 0 %、3 .3 8% .该方法可推广至二维情形 ,实现任意曲面均匀照明的要求 .

挤压膨化技术及设备的现状与发展

讨论了我国挤压膨化技术及设备的现状 ,分析了挤压膨化技术的发展前景 。

利用汉克尔变换设计高斯光束整形衍射元件的应用研究

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视,其通常的设计方法为G-S算法,由于使用傅里叶变换运算量大、费时长,将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度,节省运算时间,为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器,成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件,既可在距离其35 m处得到一半径为200μm的圆形平顶光斑,均方根误差D〈0.021。当抽样值取2~15时,在普通PC机上运行时间仅为20.05 s,大大节省了优化设计时间（整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算）。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件,并进行了实际测试,结果与设计值基本相符,整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好,还有利于与激光器的集成,简化系统的调节。