基于瑞利-索墨菲积分的大角度激光分束器设计

针对目前激光分束器只能产生小发散角的问题,基于严格的非傍轴近似的衍射积分公式,提出了一种大发散角分束器的设计方法.先对目标光场分布进行坐标和光强修整,再利用改进的GerchbergSaxton迭代算法得到所需分束器的相位分布.分别采用本文设计方法和原有方法设计了发散全角为40°×40°的5×5分束器,仿真和实验结果表明:原有方法设计得到的5×5子光束存在着显著的枕形畸变,并且光强分布不均匀.而本文方法设计得到的子光束呈均匀等间隔排列,并且强度分布更为均匀.     

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。     

基于混合梯度下降的高性能光刻机离轴照明衍射光学元件设计

深紫外(DUV)光刻机照明系统普遍采用衍射光学元件(DOE)实现光瞳整形。根据光刻机的指标要求,衍射光学元件应具有高衍射效率和高均匀性的特点。传统的相位恢复算法如Gerchberg-Saxton(GS)及其改进算法,一般只能通过降低均匀性来提高衍射效率,无法得到最优的解。而全局优化算法如模拟退火法、遗传基因法等需要大量的计算时间,难以实现像素数目多的深紫外DOE的设计。为了克服上述困难,提出了一种基于GS的混合梯度下降算法,在迭代过程中对每次迭代的振幅进行加权反馈修正,在加快收敛速度的同时,减少误差,同时实现高效率和高信噪比。利用该算法对光刻需要的传统、四极照明光瞳、定制照明光瞳的DOE进行了设计,结果表明,实现传统和四极照明光瞳的16阶量化相位DOE的衍射效率均超过92%,而非均匀性分别为3.98%和2.3%。实现定制照明光瞳的DOE的衍射效率为91%,图形恢复误差为5.8%。该方法为获得高性能深紫外DOE提供一条可行的途径。     

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。     

控制三维光场的纯相位衍射光学元件优化设计

为提高纯相位衍射光学元件的设计效果，实现高衍射效率的三维光场衍射传播控制，在原有GS迭代算法的基础上提出了新的相位加权迭代优化设计算法。此算法的特点是，建立多衍射输出平面迭代加权算法模型，并通过反馈各个设计输出平面在迭代计算过程中的设计误差，引入一定的相位动态加权整调策略，以达到更加优化的设计效果。以此算法设计一个纯相位衍射光学元件，将输入的高斯光束在距离输入面300mm～400mm内的每个平面上变换为2×2等强度光束阵列。通过对比实验发现此方法在原有算法基础上能进一步改善算法的收敛效果，提高整体设计质量，实现更加优化的运算。     

一种新型的二元光学器件——多位相光束分束器的制作

本文报道了用于多光束分束器的反射式16位相值二元光学器件的制作。该二元光学器件把一束光束分成5×5光束阵列。测量的衍射效率为76.16%,接近理论设计值79.68%。该二元光学器件的有效孔径为10mm×10mm。     

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30°、45°、55°非垂轴面上光斑不均匀性分别为5.91%、4.00%、3.38%.该方法可推广至二维情形,实现任意曲面均匀照明的要求.     

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。     

基于改进GS算法设计DOE制备紫外波段微米级均匀光斑

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton(GS)算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。     

高衍射效率亚波长结构Dammann光栅的设计

传统的Dammann光栅是基于标量衍射理论设计的二值相位等光强分束器件，其衍射效率的典型值为80%左右.基于严格耦合波分析理论和遗传算法，提出了一种设计亚波长结构Dammann光栅的新方法，且该新型二值相位光栅具有较高的衍射效率.同时利用自编的仿真程序包设计了多个光栅，并分析了制作误差对其衍射效率和光强均匀性的影响.仿真结果表明，用该方法所设计的Dammann光栅的衍射效率超过92%.     

可变光阑光学衍射加密系统

为了克服双随机相位编码系统的局限性,提出基于光学衍射成像原理的图像加密方法.该方法在光学衍射加密系统中加入可变光阑,形成透光面积不同的振幅板,对明文进行加密,得出多个密文.解密时,通过相位恢复算法,从多幅衍射强度图像中恢复原始明文.仿真表明,由于只需要记录光波的衍射强度,在密文记录过程无需使用干涉装置,通过可变光阑可以方便地调节振幅板的透光面积,无需改变光学结构或者移动光学器件,因此,大大降低了加密过程实施的难度.     

连续面型高效率光栅分束器件的设计

阐述了用虚源法设计连续面型光栅分束器件的原理 ,提出了一种局部搜索遗传算法 ,并将其用于优化器件的性能。局部搜索遗传算法结合了局部搜索算法和遗传算法的优点 ,可以有效地克服遗传算法的“早熟收敛”现象 ,具有更强的全局收敛能力。用文中给出的方法可以得到具有较好均匀性的、高衍射效率的连续面型光栅分束器件。     

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.     

低散斑环形光束整形器件的设计及实验

提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.     

连续面型高效率光分束器件的设计

阐述了用虚源法设计连续面型光栅分束器件的原理,提出了一种局部搜索遗传算法,并将其用于优化器件的性能。局部搜索遗传算法结合了局部搜索算法和遗传算法的优点,可以有效地克服遗传算法的“早熟收敛”现象,具有更强的全局收敛能力。用文中给出的方法可以得到具有较好均匀性的、高衍射效率的连续面型光栅分束器件。     

GS算法设计连续相位板时相位滤波器的选择

针对GS算法在设计连续相位板(CPP)时,迭代过程在解包相位中引入的高频调制,研究了初始相位与解包相位的频谱分布特性,并对两者的差别进行了比较。根据初始相位的频谱特性,提出了以初始相位的频域截止频率为相位滤波器的截止频率的滤波器选择方法。利用该方法进行了CPP设计,设计结果对应的远场焦斑参数为:均方根误差0.267 2,能量利用率96.32%,顶部不均匀度0.101 2。     

基于机器学习设计连续相位分布的衍射光学元件

将机器学习算法应用于设计连续型相位分布的衍射光学元件（DOE）,该元件可用于激光整形。将DOE的相位分布数据拟合为多项式,通过神经网络构建系统参数（如束腰半径、目标面的大小、DOE和目标面的距离等）与DOE相位系数之间的映射关系。基于这种关系,当给定一组系统参数,可以自动预测出DOE的相位系数。该方法克服了传统设计方法在参数改变时需要通过重新迭代来计算相位分布的局限性。研究了系统参数超出训练范围对预测精度的影响,分析了各个参数对预测能力的影响。结果表明：该方法在系统参数的训练范围内对相位系数的预测准确度均在99.9%以上。当所有参数在预先训练范围基础上正向和反向同时扩大80%和55%时,预测的准确度依然保持在99.5%和97.5%以上。研究也表明,目标面小于预定的范围对预测的准确度影响最明显。     

Airy加速光束的局域空间频率及其在光束设计中的应用

Airy加速光束是近年来备受关注的一种新型无衍射光束. 它所具有的自由加速、无衍射及自恢复特性使其在光学微操纵、非线性光学、 电子加速等诸多领域显示出重要的应用价值. 因此, 如何方便高效地生成加速光束成为近年来的一个热点研究内容. 本文对Airy加速光束复振幅分布的空间振荡特性进行了分析, 建立了利用局域空间频率描述其加速特性的理论. 提出了利用零点坐标计算加速光束局域空间频率的方法, 通过非线性拟合给出了可以精确描述Airy光束局域空间频率的解析公式; 确定了加速光束的局域空间频率函数与加速轨迹之间的定量关系, 给出了由给定加速轨迹计算相应的局域空间频率以及加速光束的纯相位函数的一种简单计算方法. 将上述分析结果用于设计产生具有给定加速轨迹的加速光束所需的相位函数, 成功求出了能够产生圆弧形加速轨迹的新型加速光束的纯相位函数的解析表达式. 基于该相位函数设计的纯相位衍射光学元件的模拟衍射结果证明了上述方法的可行性. 关键词： 衍射光学 加速光束 局域空间频率     

一种用于衍射光元件优化设计的快速算法的研究

讨论了傅里叶迭代算法对初始相位敏感的缺陷机理,提出用伪随机相位编码作为傅里叶迭代算法初始值的改进算法来克服相位敏感缺陷。改进算法具有加快迭代收敛速度、提高恢复图像强度准确性的优点。将该算法产生的任意期望图样的相位全息图写入纯相位液晶空间光调制器上,在远场成功地再现了期望图样。算法迭代10次可产生衍射效率接近85%的一幅相位全息图。作为一种快速相位恢复算法它在相控阵激光雷达以及光束敏捷偏转等领域有重要意义。