衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

Design optimization of highly efficient spectrum-splitting and beam-concentrating diffractive optical element for lateral multijunction solar cells

Two improved algorithms are proposed to extend a diffractive optical element （DOE） to work under the broad spec- trum of sunlight. An optimum design has been found for the DOE, with a weighted average optical efficiency of about 6.8% better than that of the previous design. The optimization of designing high optical efficiency DOEs will pave the way for future designs of high-efficiency, low-cost lateral multijunction solar cells based on such a DOE.     

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     

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。     

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。     

光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响

模拟分析了光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响。光谱色散匀滑技术的使用提高了衍射光学器件的抗波前畸变能力,降低了对加工精度的高要求。光谱色散匀滑技术与衍射光学器件的联用有望满足惯性约束聚变对束匀滑性能的高要求。     

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。     

实现Nd:YAG光束匀滑的衍射光学器件的研制

采用爬山-模拟退火混合优化算法与旋转镂空掩模板工艺,针对基频光与三倍频光,设计并加工出口径80mm的连续位相衍射光学器件。在脉冲工作的Nd：YAG激光器上,实验研究了器件的光束匀滑性能,获得了与设计尺寸相符合、边缘陡峭、但包含较大顶部调制的光斑。初步验证了衍射光学器件在固体激光器光束匀滑上的应用可行性。     

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Nd:YAG光束匀滑的衍射光学器件的研制

 采用爬山-模拟退火混合优化算法与旋转镂空掩模板工艺,针对基频光与三倍频光,设计并加工出口径80mm的连续位相衍射光学器件。在脉冲工作的Nd：YAG激光器上,实验研究了器件的光束匀滑性能,获得了与设计尺寸相符合、边缘陡峭、但包含较大顶部调制的光斑。初步验证了衍射光学器件在固体激光器光束匀滑上的应用可行性。     

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。     

A single diffractive optical element implementing spectrum-splitting and beam-concentration functions simultaneously with high diffraction efficiency

In this paper,a novel method is proposed and employed to design a single diffractive optical element(DOE) for implementing spectrum-splitting and beam-concentration(SSBC) functions simultaneously.We develop an optimization algorithm,through which the SSBC DOE can be optimized within an arbitrary thickness range according to the limitations of modern photolithography technology.Theoretical simulation results reveal that the designed SSBC DOE has a high optical focusing efficiency.It is expected that the designed SSBC DOE should have practical applications in high-efficiency solar cell systems.     

衍射光学器件光线追迹公式的实验验证

本文介绍了一种衍射光学器件光线追迹的方法，并给出了计算公式。作为验证，在实验室里制作了具有连续相位的体全息器件，将其实际再现光斑与计算点列图进行比较。构造透射体全息片的物光为离轴的球面波，始于轴外点Ａ（０，１３２ｓｉｎ８°，－１３２ｃｏｓ８°），参考光为平面光束，其与Ｚ轴夹角为１７°。激光器采用氩离子激光器（Ｓｐｅｃｔｒａ－ｐｈｙｓｉｃｓＭｏｄｅｌ２０２０），波长４８８ｎｍ；干板感光胶为重铬酸明胶（ＤＣＧ），胶层厚为１５μｍ；通光口径３０ｎｍ。测试时把全息片放在干板的位置。挡住物光，让再现光以和参考光路相同的路径平行入射到全息片上，在全息片后垂直光轴放置毛玻璃片，平行光轴移动毛玻璃片，可观察到－１级衍射光的变化。在距离原点的距离分别为（ａ）４０ｍｍ，（ｂ）７０ｍｍ，（ｃ）８７ｍｍ，（ｄ）９５ｍｍ的地方用ＣＣＤ拍摄了衍射光的形状，与程序计算的点列图在形状和大小上都吻合     

Investigation of diffractive optical element for shaping a Gaussian beam into a ring-shaped pattern

To convert a given single-mode He–Ne laser beam into a ring-shaped intensity distribution, a diffractive optical element with 16 levels was designed by YG amplitude-phase retrieval and iteration algorithm. This beam shaper is investigated experimentally and compared with the results of the computer design. The results show good conformity, and the measured diffraction efficiency is 87.2%. In addition, the diffractive effect is observed when the distance between diffractive optical element and CCD is changed.     

扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。     

一种用于高斯光束整形的衍折射光学元件的研究

由衍射光学元件（ＤＯＥ）和折射透镜组成的衍折射光学元件，用于较大功率密度和光束半径的高斯光束的聚焦。运用ＧＳ算法，用外围的ＤＯＥ产生一个偏移的高斯光束分布，与中心的折射透镜会聚后的高斯光束相干叠加在一个很小的聚焦圆内，在聚焦圆内的光强分布不平整度小于５％。给出了一个圆域基模高斯光束的整形分布，计算误差小于３．５％。     

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。