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。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80 %的概率从19.4 %提升到了51.3 %,取得了较为明显的相干合成效果。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从19.4%提升到了51.3%,取得了较为明显的相干合成效果。     

基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统

随机并行梯度下降(SPGD)算法是实现大功率主振荡功率放大器相干合成的有效手段之一.分析了SPGD算法用于相干合成的基本原理,设计了基于SPGD算法的相位控制系统,给出了基于该SPGD控制器的相干合成实验结果.理论分析表明,SPGD算法控制器的迭代速率为200kHz,对于两路相干合成的平均控制带宽大于12.5kHz,最优控制精度可达1/179个波长.实验表明,SPGD控制器能够实现高速的相位控制.在相位噪声幅度大于1/10个波长、频率为3kHz的情况下,有效地实现了两路激光的相位锁定,相位残差控制在1/25个波长内.     

衍射光学元件的效率研究

衍射光学元件的衍射效率是其在设计和应用时需要重点考虑的因素。用标量理论的方法分析可以得到较高的理论衍射效率。然而,标量理论所作的假定限制了其在高频衍射结构中分析结果的精确性,制作上的局限也降低了实际可能的衍射效率。讨论了标量分析的方法,并说明了怎样结合设计实际来实现对衍射效率的提高。     

随机并行梯度下降算法用于光纤激光相干合成的理论与实验研究

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论,利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取,确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式.利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法,实时控制各路光束的相位,实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍,合成效率达到了理想情形的87%,远场光斑对比度为85%.     

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求,完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器,通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号,AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器,进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信,设计了两路串口通信接口,并编写了相关测试程序,最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明,该控制器搭载随机并行梯度下降（SPGD）算法,在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相,控制主瓣能量变化优于±5%,锁相后主瓣能够完成±λ的扫描,扫描频率约为25 Hz,同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验,实现激光相干合成条纹的目标跟踪。     

用于衍射光学元件优化设计的遗传算法及其与模拟退火算法的比较

本文成功地将遗传算法运用于高维衍射位相光学元件的优化设计.并与模拟退火算法进行了比较.结果表明,该算法不仅对于二元,而且对于多元位相光学元件的优化疫计均是十分有效的.而且,它特别适用于利用光电混合处理系统进行优化计算.     

衍射光学元件衍射效率的测量

根据衍射光学元件衍射效率的测量原理,建立衍射光学元件衍射效率测量的双光路装置,简要介绍了双光路测量的优点。针对衍射光学元件衍射效率的测量装置,讨论了影响衍射效率测量精度的因素,合理地选择测量装置中的针孔光阑,即可以让主衍射级次的光全部通过被探测器接收,又可以滤掉次级衍射光,保证测量结果的准确度。针对所设计研制的一个折衍射混合成像光学系统,测量了可见光波段3个激光波长的衍射效率,并对测量结果进行了模拟和分析。在473～632.8nm波段范围内任意一个波长处,衍射效率的测量结果同理论值的偏差均小于5.0%。实验证明,双光路测量装置可以用于测量衍射光学元件的衍射效率。     

衍射光学元件的设计方法

衍射光学是基于光学衍射原理和利用计算机产生全息图和相息图（ｋｉｎｏｆｏｒｍｓ）以及微电子加工　　技术而发展起来的一个新的光学分支。衍射光学元件能够同时实现几种光学功能,从而实现光学元件的微型阵列化与集成化。着重介绍基于衍射标量理论、衍射光学元件的设计原理和相关的算法。通过简单的例子来说明设计的步骤和结果。     

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/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。     

离子束平动刻蚀工艺衍射光学元件的设计及制作

提出了一种用于制作二维光束整形衍射光学元件的新方法———离子束平动刻蚀工艺。分别介绍了利用这种新方法设计衍射光学元件的原理、设计过程以及刻蚀工艺系统的构成和掩模板的设计方法。结果表明 ,这种新的工艺方法不拘泥于圆对称系统 ,不但继承了离子束旋转刻蚀工艺的位相真正连续分布的优势 ,而且所制作出的衍射光学元件 ,即使对于半导体激光器所产生的两个方向发散角不同的激光束来说也仍然可以进行整形 ,并最终能得到矩形焦斑。这种工艺方法的理论设计也可以从二维化简为两个一维的设计 ,从而大大简化了设计计算的复杂程度     

Design of refractive/diffractive hybrid optical elements for beam shaping with large diffraction pattern

Diffractive optics is an important technique for beam shaping with high light efficiency and strong diffraction pattern flexibility. Since the diffraction angle is limited by the unit size of the diffractive optical element(DOE),the size of the required diffraction pattern is always rather small. In this Letter, refractive/diffractive hybrid optical elements(RDHOEs) consisting of a DOE and a lens are used to realize beam shaping for a large diffraction pattern. The lens, as the component of the RDHOEs, can not only be concave but also convex,and the double sampling Fresnel diffraction algorithm is developed for the design of these two types of RDHOEs.The simulation and experimental results provide solid evidence to demonstrate the proposed method with the pure phase spatial light modulator.     

采用分步迭代算法设计制作衍射光学元件

 结合均匀照明相位器件的设计实例，介绍最新提出的基于迭代框架的优化方法，并应用该方法设计制作了16台阶的衍射光学元件并对其进行了测试，验证了设计原理及方法的正确性，且对加工中可能出现的误差进行了分析和讨论。测试结果验证了采用多台阶相位结构的设计方案能有效提高工艺宽容度。     

Design of cascaded diffractive phase elements for three-dimensional multiwavelength optical interconnects

We propose a novel design method that incorporates multiple-layer relief profiles of diffractive phase elements to implement integrated operations on the incident beams according to their wavelengths. We demonstrate simultaneous wavelength-division demultiplexing, arbitrary (even random) wavelength shuffling or routing, spatial focusing, and other manipulations of multiwavelength beams, such as irradiance profile shaping, with design examples for applications in three-dimensional optical interconnects.     

基于超表面材料的扇出衍射光学元件

提出一种基于电介质纳米砖阵列的扇出衍射光学元件的设计和实现方案,其纳米砖的深宽比低至1.5。这种扇出衍射光学元件被一束波长为633 nm的入射光束照射时,可以在远场中得到均匀的4×4点阵,发散角为32°×32°,且数值模拟与实验结果吻合良好。基于超表面材料的扇出衍射光学元件具有连续、精确的相位操纵能力和较高的偏振转换效率,并且仅需一步光刻制造工艺,可以广泛应用于工程光学的各种领域,例如光学传感,激光雷达,激光加工等。     

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。     

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。     

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.