实现光束变换的连续位相衍射光学器件的研制

本文利用基于模拟退火法和爬山法相结合的混合优化算法,实现光束变换的连续位相衍射光学器件的设计。通过灰阶掩膜板及离子刻蚀工艺,研制了 Φ１００ｍ ｍ 的连续位相衍射光学器件。通过多级衰减片及ＣＣＤ 实现了焦斑光强分布测量。测量结果表明：边缘陡峭、旁瓣小、中心主瓣具有一定均匀性,且没有中心零级锐脉冲的焦斑光强分布     

实现ICF束匀滑的二元光学器件设计与制作

 采用爬山法和模拟退火法相结合的混合优化算法,设计得到了二元光学器件的良好位相结构;基于高斯分布随机信号模型,分析了二元光学器件对输入波面位相畸变的宽容度。首次针对波长λ＝1.053μm研制了φ10mm的连续位相二元光学器件,并通过多级衰减片及CCD实现了焦斑光强分布测量,结果表明得到了边缘陡峭、旁瓣小、中心主瓣具有一定均匀性、且没有中心零级锐脉冲的焦斑光强分布。     

产生旁瓣的激光波前功率谱密度与焦斑性能分析

讨论了在放置与不放置焦斑形态控制器件 KPP的两种情况下 ,采用功率谱密度模拟分析有旁瓣焦斑的激光束波前分布的特点 ,并由此探讨高功率激光驱动器在无旁瓣的聚焦情形下 ,对入射到打靶透镜的激光束波前畸变量的控制要求。     

ICF靶面均匀照明二元光学器件的设计与研制

 采用不同的优化算法,设计了ICF均匀照明二元光学器件。提出了全局/局部联合搜索算法(GLUSA),对平面输入波获得了旁瓣小、光强均匀的设计结果。完成了16阶浮雕表面结构的位相板的试制加工,并利用光学CT法测量了焦斑光强分布,实验结果表明获得了较好的光强包络,但顶部均匀性还有待进一步提高。将单元器件扩展为阵列器件,增加了对输入光波畸变的宽容度。     

万焦耳级激光装置的焦斑诊断

为了评估万焦耳级激光装置不同打靶透镜构型的远场光束质量,采用弱光取样、分束放大成像的探测方法,在横向放大系数相同而光强衰减系数不同的条件下,通过两台16位科学CCD在主瓣光路和旁瓣光路对3ω激光束的焦斑进行采集;基于纹影测量激光焦斑数学模型,获得了动态范围为1 151.7:1的远场焦斑重构图像;并对CCD动态范围、分束光路相对放大系数、系统噪声等因素对焦斑诊断的影响进行了分析.实验表明,该方法能够实现高动态范围远场焦斑的精确测量,对于重构图像的拼接边缘误差小于1 pixel,满足打靶要求.     

高动态范围激光焦斑测量数学模型研究

提出了一种高动态范围的激光焦斑测量方法.首先,构建纹影测量远场焦斑数学模型,确定重构需要的参数,并使用准直光路对参数进行标定;其次,运用综合诊断快速自动准直系统使纹影小球遮挡住旁瓣光斑中心,获得准确的旁瓣光斑;最后,改进计算纹影小球中心及图像融合等方面的纹影重构算法,克服了传统纹影重构方法中主瓣旁瓣中心误差大、合并图像拼接边缘台阶明显的缺点.对大型激光装置参数测量综合诊断系统的远场焦斑测量应用表明:通过对纹影测量远场焦斑数学模型中参数的精确标定以及对纹影重构算法的优化,能够实现高动态范围激光焦斑的准确测量.     

产生旁瓣的激光波前功率谱密度与焦斑性能分析

 讨论了在放置与不放置焦斑形态控制器件KPP的两种情况下,采用功率谱密度模拟分析有旁瓣焦斑的激光束波前分布的特点,并由此探讨高功率激光驱动器在无旁瓣的聚焦情形下,对入射到打靶透镜的激光束波前畸变量的控制要求。     

应用于ICF等离子体诊断系统的长焦深光学元件设计

 针对惯性约束聚变激光等离子体诊断系统的特殊需求，提出采用对数型轴锥镜来实现长焦深功能，并采用超高斯边缘匀滑、中心切趾及选择合适的器件参数等方法优化了长焦深器件的性能。模拟实验证明，为了得到满足要求的长焦深、小焦斑、小旁瓣和均匀的轴上及横向光场分布的聚焦光束，对数型轴锥镜的焦深应为3~5 mm；元件中心须采用切趾，而且切趾半径应为15~60 mm；元件边缘宜采用5阶超高斯匀滑。设计出焦深长达3 mm、轴上光强均匀、旁瓣峰值小于中心强度的2%且横向光斑较均匀的长焦深器件，可以满足激光等离子体诊断的要求，并用菲涅耳衍射积分对该元件光场的模拟实验验证了该方法的可行性。     

纹影法测量远场焦斑实验研究

 报导了用纹影法测量远场焦斑的实验结果。远场焦斑经成像透镜放大成像后，由12bit，1 024×1 024面阵科学级CCD相机采集。将一定大小的小球放置在焦斑位置，用以遮挡光斑中心，控制CCD前的衰减可得旁瓣信息，将其与无遮挡光斑拼接，得到焦斑相对强度的完整分布。该方法扩展了焦斑光强测试的动态范围，可探测焦斑约4个量级的光能密度分布，提高了焦斑的测量精度。     

部分相干Airy光束在大气湍流中的光强演化

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应,实现远距离无线光通信,对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯-谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯-菲涅尔原理以及Rytov相位近似法,推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真,并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明:随着传播距离的增加,部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减,主瓣逐渐扩散;在传播足够远时,其旁瓣逐渐消失,主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长,光束的光强分布保持越完整.     

大口径衍射光学束匀滑器件的研制

 采用爬山－模拟退火混合优化算法,选取合适的权重因子,改善了衍射光学束匀滑器件的设计性能,其顶部不均匀性小于1%,能量利用率优于95%。采用旋转镂空掩模板,加工出Φ 180的束匀滑器件,并进行了实验研究,获得了较好的束匀滑光强包络。为获得真实的束匀滑分布、改善顶部均匀性、提高抗波前畸变宽容度,选取特定的焦面采样间隔进行了精细化设计。     

Large aperture continuous phase diffractive optical element to realize uniform focal spot

Uniform focal spot, with flat top, steep edge, low side lobe and high light efficiency, is required in many high power laser system. Using diffractive optical element (DOE) to realize such uniform illumination has many advantages, such as high light efficiency of pure phase modulation, strong flexibility of phase design and so on. A kind of hybrid algorithm based on hill-climbing and simulated annealing is utilized for phase design, owing to the strong convergence of the hill-climbing and the global optimization potential of the simulated annealing. A continuous phase DOE with diameter 100 mm has been fabricated by a rotating hollowed-out mask and ion-etching on the K9-glass substrate. The interferogram of the DOE is given to show the smoothness of the phase distribution. The intensity distribution of the focal spot are measured by a general CCD, and a series of attenuators are used to increase the dynamic range of the measurement. The results after data-processing show that the uniform focal spot with certain uniformity at the main lobe, sharp edge, low side lobe and without sharp peak at the zero order has been obtained.     

离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计,透镜采用方形非旋转对称结构,设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值,改善接收面聚光分布,以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响,结果表明:采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%.     

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.     

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。     

Diffractive optical element used to control side lobe to be extremely low in a large region

In this paper, a diffractive optical element (DOE) is adopted to control the side lobe to be extremely low in a large region on the focal plane, and simultaneously the intensity of the center point on the focal plane is required to be maximal. The DOE to realize the before-mentioned performance is two-phase distributed, i.e. 0 and π. Linear programming is applied to design the DOEs to realize an extremely low side lobe in different regions on the focal plane. Simulated results show that the more rigorous the side lobe is controlled to be, the smaller the intensity of the center point on the focal plane.     

Sub wavelength multiple focal spot generation of high NA objective lens using diffractive optical element

In this article, based on the vector diffraction theory, the effect of specially designed phase modulating optical element by means of an incident tightly focused azimuthally polarized Bessel Gaussian beam in the focal region of high NA lens is investigated numerically. It is observed, that a specially designed diffractive optical modulation element (DOE) can generate multiple focal spot segment of transversely polarized in the focal region by controlling the angles of DOE. Such kind of sub wavelength transversely polarized focal spots segment may find wide applications in multiple optical traps and optical manipulation technology.     

连续相位板面形特性对远场分布的影响

惯性约束聚变(ICF)系统打靶对焦斑的大小及能量分布均匀性都有明确的要求,在连续相位板设计过程中要同时兼顾这两个方面。研究了连续相位板的面形与远场焦斑光强均匀性间的关系,从理论上推导了元件表面调制深度与焦斑尺寸的关系,并进行了定量计算。结果表明,焦斑半径随连续相位板的面形调制深度线性增加。鉴于连续相位板具有的随机特性,比较了不同相位板远场特性的区别,研究了面形调制深度对其光强峰谷值和均方根值的影响,结果表明不同设计的连续相位板,远场特性有较大的不同。当面形调制深度在5~15个波长时,焦斑具有较低的光强峰谷值和均方根值,连续相位板具有较好的束匀滑效果。     

投影光刻离轴照明用衍射光学元件的矢量分析

使用衍射光学元件(DOE)作为投影光刻照明系统实现离轴照明(OAI)的光束整形匀光器件,能够在保持较高照明效率的基础上精确控制OAI光束的形状及光强分布.在矢量角谱传输方法的基础上,建立了投影光刻用DOE的矢量分析模型,并对标量方法设计的DOE在偏振照明情况下的匀光与整形性能进行了分析.分析结果表明DOE在大角度衍射、...     

激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜轴向聚焦特性分析

为确定卷积效应以及深度制作误差对小F数连续浮雕衍射透镜(DOE)轴向聚焦特性影响,基于瑞利-索末菲衍射理论建立了激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非旁轴近似轴向光强分布模型.该模型考虑了连续浮雕衍射透镜的轴向衍射聚焦特性与透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差的关系,克服了傍轴近似条件下传统模型的不精确性.为验证模型的正确性,用激光直写制作了设计波长为441.6 nm,F数为4以及相位匹配因子为3的连续浮雕衍射透镜,并测试了波长441.6 nm激光入射时透镜的轴向聚焦特性.实验与分析表明,该模型分析结果与实验测试结果符合,从而证实模型的有效性,为激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜的应用提供了理论依据.