基于角谱理论和G-S算法的光束整形器件研究.pdf

中文摘要 摘 要 激光具有高方向性、高相干性、高亮度以及高单色性等优点，在生物医学、 信息技术、激光加工、国防工业等领域扮演着越来越重要的角色。各种应用领域 对光斑形状、尺寸及光束能量分布要求不尽相同，然而通常激光器的输出模式固 定，难以满足应用需求。因此迫切需要针对不同应用需求开展光束整形器件的研 究。传统光束整形技术存在性价比较低、光能量利用效率低以及对复杂光束整形 效果不好等问题，而衍射光学整形元件具有体积小、设计自由度多、衍射效率高、 易于批量制造、重量轻等优点，为光束整形提供了有效的技术途径，开展基于衍 射光学元件的光束整形关键技术研究有着重要的科学意义和实用价值。 针对目前基于衍射光学元件的光束整形器件存在的均匀性较差等问题，本文 基于 G-S 算法，结合衍射角谱理论，进行光束整形器件设计方法研究。针对可见 光波段 He-Ne 激光器，设计了平顶光束整形器件相位分布，搭建基于空间光调制 器的光束整形系统，实现了均匀性好的方形光斑，验证了设计结果；针对太赫兹 量子级联激光器(THz QCL)产生的激光光束特点，设计了太赫兹高斯光束整形器件， 完成了器件加工。本文主要工作如下： ① 调研并分析了基于衍射光学元件的光束整形技术研究现状以及发展趋势， 针对目前衍射光学元件整形技术存在的问题，提出本文的研究内容和研究目标； ② 基于G-S 算法和角谱理论，研究了衍射型光束整形器件的设计算法，使用 MATLAB 编写了光束整形优化设计软件； ③ 针对He-Ne 激光器产生的波长λ=632.8nm 线偏振光，设计了平顶光束整形 器件的256 值相位分布。设计目标光斑尺寸为4.7mm×4.7mm ，平均光强为1.53(a.u.)、 不均匀性为 0.1 。搭建基于空间光调制器的光束整形系统，产生了 4.7mm×4.7mm 的方形光斑，其光斑平均强度为 1.4(a.u.)、不均匀性为 0.328 。从理论和实验上验 证了本文提出的算法； ④ 针对波长λ= 118.8μm 的THz QCL，设计了一种高斯光束整形聚焦透镜， 将光束形状、能量分布不均匀的THz QCL 输出光束整形成高斯光束。整形器件尺 寸为51.2mm×51.2mm，衍射距离为25cm 。理论仿真计算得到高斯光束的束腰半径 7 为 1λ 、峰值强度为 7.77×10 、均方根误差为 0.18 ，且在衍射距离范围 13.9cm 到 36.1cm 内具有较好的斑整形及聚焦效果。采用微米加工技术加工出了整形器件。 关键词：光束整形，G-S 算法，衍射光学元件，太赫兹量子级联激光器 I 英文摘要 ABSTRACT Laser has the advantages of high directivity, high coherence, high brightness and high monochrome. It plays an increasingly important role in biomedicine, information technology, laser processing, national defense industry and other fields. Usually the output mode of laser is fixed. However, the requirements of spot shape, size and beam energy distribution are different in various applications. Therefore, there is an urgent need to study beam shaping devices for specific light sources and different applications. Traditional beam shaping t