基于衍射光学元件的激光相干合成研究进展

从衍射光学元件的基本原理出发,围绕连续波和脉冲波两大应用领域,综述了国内外基于衍射光学元件实现共孔径相干合成的研究进展。在国内,上海光学精密机械研究所分别实现了连续光和脉冲光的合成,连续光实现了206 W的输出功率,光束质量1.38,合束效率29.6%;脉冲光实现了峰值功率1.02 kW,重复频率2.2 MHz的ns级脉冲相干合成光束,合束效率61%。在国外,连续光方面实现了5 kW量级的合成光输出,合束效率82%;脉冲光方面实现了平均功率150 mW,重复频率100 MHz的fs级脉冲相干合成光束,合束效率83.4%。最后对基于衍射光学元件的激光相干合成技术的未来发展做出了展望,相信在不久的将来,基于衍射光学元件的相干合成技术会不断发展,逐渐突破技术瓶颈,从而为更多的应用领域奠定坚实基础。     

多孔径激光阵列光束排布模式及误差对相干合成效率影响的研究

多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统,主要分析了三光束"品"字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响,并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况,讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明,不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大;各光束之间的角度偏差越小,初始相位差越小,相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。     

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。     

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.     

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足:仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于π/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

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.     

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。     

基于蚁群算法的二元光学优化设计

为了提高二元光学优化的速度,进一步提高衍射效率,提出一种采用蚁群算法直接设计二元衍射光学元件(BOE) 的方法, 构造出了用蚁群算法对具体的二元光学元件——矩形孔径多阶相位调制型光栅优化设计的有向图, 用Matlab对其结果进行仿真,缩短了运行时间,并使元件的衍射效率得到进一步提高。     

Mixed multi-region design of diffractive optical element for projection exposure system

The diffractive optical element (DOE) is widely used to generate various illumination modes in the projection lithography system. The working principle and design methods of the DOE are discussed in detail in this paper. A mixed multi-region design method is proposed to calculate the phase of DOE based on the poor spatial coherence of excimer laser, using the Gerchberg–Saxton (GS) algorithm. The DOEs generating circular, dipole and quadrupole illumination modes are designed and simulated by three different methods: single region design, repeated multi-region design and mixed multi-region design. The performance of these DOEs are compared and analyzed with these three design methods. The mixed multi-region design method is used to design the DOEs generating three illumination modes, the diffraction efficiencies are greater than 85%, and the non-uniformities of illumination are less than 3%. The analysis results indicate that the DOE designed by the mixed multi-region design can achieve higher diffraction efficiency and illumination uniformity of the far-field intensity distribution without modifying the GS algorithm.     

有限口径非周期亚波长衍射聚焦偏转器的严格矢量优化

有限口径非周期亚波长衍射光学器件的亚波长结构特性使得传统标量衍射理论失效,必须借助严格电磁理论进行器件的设计。提出一种循环平面波谱算法(IterativePlaneWaveSpectrumAlgorithm,IPWSA)作为器件优化算法,利用二维时域有限差分方法作为严格电磁计算模式,根据Farn方法对器件面型进行亚波长处理,设计出有限口径非周期具有亚波长结构的衍射聚焦偏转器件,偏转角为24.8°,该器件可与激光器集成构成微型集成光学系统,也可以用在红外量子阱系统中。详细分析了算法原理,设计实例验证了算法的优化效果。     

Intracavity coherent addition of 16 laser distributions

The efficient intracavity coherent addition of 16 separate laser Gaussian mode distributions is presented. The coherent addition is achieved in a multichannel pulsed Nd:YAG laser resonator by use of four intracavity interferometric beam combiners. The results reveal 88% combining efficiency with a combined output beam of nearly pure Gaussian distribution.     

基于液晶相控阵的聚焦式相干合成建模及性能

提出一种相干激光聚焦式传输进行相干合成的方法。通过液晶相控阵波束方向控制技术,可以在目标区域内的任意位置进行相干合成。基于实际参数,建立相干合成理论模型,在此模型下5束相干激光在距离为100m、坐标为2m的位置进行相干合成后,激光的峰值光强增加到单束激光的16.9倍。研究了目标区域内不同位置的峰值光强变化规律,分析发现光束抖动的直接原因是出射激光的相位面产生畸变,深层原因是电压量化引起的相位延迟误差。量化位数小于16时,增加量化位数可以显著减小位置误差,提高峰值光强;量化位数大于16时,量化位数不再是位置误差的主要原因。传播距离大于5000m时聚焦式相干合成可等效为平行式相干合成,N束激光合成后峰值光强接近单束激光的N2倍。     

多层衍射光学元件成像特性的研究

讨论了多层衍射光学元件的光学成像性质.给出了优化设计多层衍射光学元件最大光栅厚度的方法,分析了构成多层结构的每块单层衍射元件的衍射效率对整体衍射效率的贡献作用.在0.436～0.656 μm的可见光波段,多层衍射光学元件最低衍射效率可达到98%以上,克服了单层衍射元件偏离设计波长后衍射效率显著下降的缺点,改善了宽波段衍射效率.将多层衍射光学元件应用在折、衍射混合光学系统中能够明显提高系统的成像质量,同时使得光学系统体积减小,重量减轻,并且在某些系统中可以避免使用昂贵的特殊材料,从而可以降低光学系统的成本价格.     

A diffractive optical element for shaping arbitrary beams

A design method is presented for an optical element that shapes an arbitrary collimated beam. The optical element consists of a pair of diffractive optical elements (DOEs). The outgoing beam is also collimated, and can have any desired intensity profile. The phase functions of the DOEs are computed by minimizing an appropriate cost function under an energy conservation constraint.     

Techniques for formation of the surface profile of diffractive optical elements

We give a review of the findings of an investigation into a photolithographical method of fabricating diffractive optical elements (DOEs), based on the use of only one photomask with two transmittance gradations. The binarization of the continuous transmission function of the diffractive element is conducted using a technology of half-toning of continuous-tone images and the exposure of the light-sensitive medium is performed using an incoherent spatial filtration in combination with a conventional photolithographical process. We analyze how the DOE diffractive efficiency depends on photomask parameters, binarization methods and fabrication errors. Comparison of the characteristics of the method proposed with the well-known multilevel method is made. Peculiarities of fabricating DOEs with continuous phase profile resulting from the projection, contact, and X-ray lithography are discussed. The results of experimental research are given. A possibility of fabricating DOEs with an 80% diffractive efficiency using only one photomask is demonstrated.     

Simplified mesh techniques for design of beam-shaping diffractive optical elements

This paper describes a simplified mesh generation technique that is based on the finite element method of calculation of beam-shaping diffractive optical elements (DOEs). The mesh generation technique uses the inherent symmetry of the incident beam to generate a mesh. Using the meshes so generated, DOEs that convert a Gaussian intensity beam to one of a specified shape, are calculated. Simulations of the results of such beam-shaping elements will be presented. Such elements have uses in industrial and medical applications where both the shape as well as the intensity distribution on the material that is to be processed is very important. For example, in industrial applications the beam may be used to uniformly heat up a specific area in which case the intensity has to be uniform across the beam. The Gaussian intensity variation of a laser has to be converted to a flat-top beam in order to achieve this. To reiterate, beam shaping refers to changing both the intensity distribution and the shape of the beam. Experimental results of the fabricated gratings will also be presented. These results will include experimental data on the method of additive lithography which can be used to improve the efficiency of DOEs.