衍折射设计用于均匀照明的衍射光学器件

 在工艺上衍射光学元件是通过相位板来实现的,由于其多台阶化产生的不连续性,会对目标光场产生sinc调制,产生高级次衍射斑,损失了15%或者更多能量。通过对设计衍射光学器件的传统的IO迭代算法进行了研究,提出了一种与衍折射相结合的设计方法,在衍射光学器件的部分区域形成一块连续相位区域,减少了相位片台阶化区域的光强和衍射斑的强度。通过逐步变化连续相位对输出光强情况的影响的研究,可以优化相位参数,使入射到输出面的光束保证一定匀滑性的前提下,提高目标光场区域的衍射效率达到90%以上,能够满足均匀照明的要求。     

实现控制波前传播的纯相位衍射光学元件的设计

基于投影限制集算法（ＰＯＣＳ），设计出用一个纯相位调制的衍射光学元件实现控制光波前在三维区域之内的传播，将输入的高斯光束变换为沿纵向调制的等光强的２×２光束阵列。模拟计算表明，该算法在控制光波前传播方面是有效的。     

一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为同时减小输出光束的均方根误差和顶部不均匀度值,提出了模糊控制迭代算法(IAFC)。在盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,G-S)算法的基础上,提出了平滑修正法,可有效改善输出光束的顶部均匀度,但却增大了均方根误差值。模糊控制迭代算法依据模糊控制理论,通过有效结合盖师贝格-撒克斯通算法和平滑修正法来同时降低均方根误差和顶部不均匀度值。计算机设计的结果表明,利用模糊控制迭代算法可以得到非常理想的输出光束,其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。为光束整形衍射光学元件的设计提供了一种有效的新算法。     

光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

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.     

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.     

杨-顾算法在波分复用器中的应用

把杨-顾算法用在新型纯相位型解复用器的整体设计中，通过设定输入输出面H₁，H₂上应该具有的强度分布，来设计H₁，H₂相位片上应该具有的相位分布．用纯相位调制的方式实现解复用器的分光、聚焦等综合功能，大大简化了解复用器件的结构．同时在应用杨-顾算法的过程中，对算法本身作了拓展，应用于输入面是二维高斯光束，在输出面仍是二维高斯光束的情形． 关键词：     

一种用于减少相位突变点的衍射光学元件改进设计方法

提出了一种基于数字图像处理技术的用于降低相位突变点的改进型Gerchbery-Saxton(G-S)衍射光学元件设计方法。与普通的G-S衍射光学元件设计算法相比,这种改进型的G-S算法能够使得衍射光学元件的相位分布曲线更加光滑,并且在迭代计算过程中具有更强的收敛能力。利用该种算法获得了由高斯光束变换成空心光束时所需要的衍射光学元件的相位分布,在同样参数条件下,均方根误差为8.31%,优于普通G-S算法的9.46%;并且约有33.2%的像素的相位值得到了改进,从而平滑了衍射光学元件的相位分布曲线,便于实际的微加工。     

用于共孔径相干合成的衍射光学元件设计

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系。提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布。与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率。采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率。分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内。     

基于GS加权改进算法的相位恢复

阐述了GS算法用于相位恢复的原理,并对算法的应用范围进行了扩展,不再局限于已知光瞳面和焦平面光强的情况。仿真中,选取了光束自由传输的两个垂轴截面,利用光强分布,采用了GS迭代算法对常见的几种波前畸变进行了恢复。针对相位恢复中GS算法收敛速度慢和精度低的问题,提出了迭代过程中,在光束输入端和输出端分别进行加权改进,给出了加权系数取值范围。仿真结果表明,这种改进有利于算法跳出局部极值,在加权值取1.2时,针对象散像差的恢复中,速度和精度提高了2倍左右,对一些其它常见像差的恢复精度也有所提高。     

Vector fuzzy control iterative algorithm for the design of sub-wavelength diffractive optical elements for beam shaping

The vector fuzzy control iterative algorithm (VFCIA) is proposed for the design of phase-only sub-wavelength diffractive optical elements (SWDOEs) for beam shaping. The vector diffraction model put forward by Mansuripur is applied to relate the field distributions between the SWDOE plane and the output plane. Fuzzy control theory is used to decide the constraint method for each iterative process of the algorithm. We have designed a SWDOE that transforms a circular flat-top beam to a square irradiance pattern. Computer design results show that the SWDOE designed by the VFCIA can produce better results than the vector iterative algorithm (VIA). And the finite difference time-domain method (FDTD), a rigorous electromagnetic analysis technique, is used to analyze the designed SWDOE for further confirming the validity of the proposed method.     

菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计

 采用精细化设计方法，进行了菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计，利用爬山-模拟退火混合优化算法，获得了真实的束匀滑分布，不仅控制了算法采样点上的光强分布，还控制了其他非采样点上的光强分布。优化得到的束匀滑器件的位相深度小于π，易于后续加工。     

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.     

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D0.021。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。     

Diffractive phase element for shrinking focal spot diameter: Design, fabrication, and application to laser beam lithography

A diffractive phase element (DPE) capable of shrinking the main-lobe of the focal spot of an incident beam has been developed. The DPE is expected to be used in laser beam lithography to improve the resolution. Special constraints, which force the focal spot to be small while permitting increase of the side-lobes, are introduced in the design of the DPE using an iterative method based on the Gerchberg-Saxton algorithm. Two kinds of DPEs are fabricated by a laser beam lithography system of our own composition and their performances are experimentally measured. The minimum line width obtained by the system is improved from 1.2 μm to 1.0 μm with the fabricated DPE. Focal depth of the focusing system is discussed.     

利用二维杨-顾算法设计非对称结构衍射光学元件

杨 顾算法是一种设计衍射光学元件的相位恢复方法。在大多数文献中,主要用它来设计一维衍射光学元件和具有旋转对称结构的二维衍射光学元件,故在此称之为一维杨 顾算法。二维杨 顾算法可用来设计任意结构的二维衍射光学元件。在基于非幺正变换光学系统中,用振幅 相位恢复理论建立了二维杨 顾算法的数学模型,给出了迭代算法。利用自编的仿真程序包设计了一个具有非对称结构的衍射相位元件。     

A New Fourier Iterative Algorithm for the Design of Phase－only Diffractive Optical Element Used in Laser Beam Shaping

ＡＮｅｗＦｏｕｒｉｅｒＩｔｅｒａｔｉｖｅＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈａｓｅ－ｏｎｌｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔＵｓｅｄｉｎＬａｓｅｒＢｅａｍＳｈａｐｉｎｇＳＡＮＧＴａｏ；ＬＩＡＯＪｉａｎｇｈｏｎｇ；ＬＵＺ...     

Enhanced Optical Image Verification Based on Joint Transform Correlator Adopting Fourier Hologram

In this paper two new architectures for optical image verification are proposed. Both architectures are based on conventional joint transform correlators (JTCs) adopting a Fourier hologram and can significantly improve the recovered image quality. First, an input phase-only function is Fourier transformed and then interferes with a reference wave that is diffracted from a plane wave incident on another random phase mask. Second, two phase-only functions are placed at the two input sides of a beamsplitter such that the interference pattern of their Fourier transforms can be detected. To obtain a predefined target image in the output plane, one of the input phase functions is iteratively retrieved by the use of the projection onto constraint sets algorithm. Simulation results show that the less mean squared error and better image quality are obtained for both the binary and grayscale images.