提高激光束整形质量的方法研究

论文摘要

随着激光在各工业领域的应用越来越广,其独特的双曲线传播方式与高斯分布的波前振幅,都给激光的应用带来了很大限制。在全息术、激光投影、激光印刷等领域,都要求激光光束光强均匀分布。为操纵微观粒子,需要以激光导管、激光镊子作为工具,要求激光束为空心环状光束,这就需要对激光束进行整形。随着半导体技术的发展,对激光束的实时整形需求也更为急迫。二元光学元件(BOE)体积小、重量轻、衍射效率高、基底材料选择范围广、易与其他光电器件集成,理论上能实现任意波前变换,非常适合应用于激光束整形领域。本文对各类优化设计理论算法进行了分析,在MATLAB中进行了模拟,比较了算法的优缺点,对现有优化算法进行了改进。提出了GS算法和平滑修正法相结合的混合算法以及改进的平滑修正法,在保持顶部均匀性前提下提高了能量转换效率,在极坐标下得到了高质量的均匀圆光束和空心环形光束输出。针对工艺可实现要求,本文对优化算法得出的精确相位进行了拟合。分析了元件半径、采样点数和初始半径与拟合精度之间的关系。在Zemax中得到了合理的BOE相位结构,输出光束满足设计要求。为利用液晶空间光调制器(LCSLM)的实时调制特性,本文分析了其相位调制模式的特点,提出了用LCSLM模拟二元光学元件的方法,实现对激光束的实时整形。为适应LCSLM对BOE相位的近似模拟,本文提出相位混合算法(PMA)与平滑修正法相结合的混合优化算法,对激光发出的高斯光束进行整形,得到了均方误差和顶部不均匀度均明显降低的等光强分布。搭建实验光路,获得了光强均匀的圆光束和方光束输出。得到的输出光束顶部不均匀度和均方误差都低于5%,在有效范围内,能量集中度在90%以上,说明了整形方法的实时、可控、高效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 激光光束的传输特性
•   1.2 典型的激光束整形技术
•     1.2.1 非球面透镜整形系统
•     1.2.2 微透镜阵列整形系统
•     1.2.3 双折射透镜组整形系统
•     1.2.4 衍射光学元件整形系统
•     1.2.5 液晶空间光调制器整形系统
•   1.3 半导体激光器光束整形系统
•     1.3.1 半导体激光器的发光特点
•     1.3.2 半导体激光器光束准直圆化
•     1.3.3 常见的半导体激光器阵列整形系统
•     1.3.4 基于平板玻璃的半导体激光器阵列整形系统
•   1.4 本文的主要内容
• 2 衍射光学元件设计理论
•   2.1 标量衍射理论
•     2.1.1 基尔霍夫衍射模型
•     2.1.2 菲涅尔衍射模型
•     2.1.3 夫琅禾费衍射模型
•     2.1.4 平面波角谱理论
•   2.2 常用的优化设计算法
•     2.2.1 原始GS算法
•     2.2.2 改进GS算法
•     2.2.3 杨-顾（Y-G）算法
•     2.2.4 模拟退火算法
•     2.2.5 遗传算法
•   2.3 算法的模拟与比较
•     2.3.1 算法的评价指标
•     2.3.2 优化算法模拟
•   2.4 本章小结
• 3 二元光学元件的设计
•   3.1 算法的改进与模拟
•     3.1.1 GS-平滑修正混合算法
•     3.1.3 改进的平滑修正法
•   3.2 相位拟合
•     3.2.1 相位拟合过程
•     3.2.2 相位拟合精度分析
•     3.2.3 相位拟合结果
•   3.3 本章小结
• 4 液晶空间光调制器光束整形原理
•   4.1 液晶空间光调制器概述
•   4.2 液晶空间光调制器的调制特性
•     4.2.1 液晶空间光调制器的强度调制理论
•     4.2.2 基于琼斯矩阵的相位调制理论
•     4.2.3 相位调制曲线的测量
•   4.3 整形元件相位函数设计
•   4.4 本章小结
• 5 基于LC2002 的激光束整形系统实验
•   5.1 LC2002 的相位调制特性
•   5.2 实验装置及步骤
•     5.2.1 实验平台搭建
•     5.2.2 实验步骤
•   5.3 实验结果与分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于晓晨

导师: 胡家升

关键词: 光束整形,二元光学元件,相位拟合,液晶空间光调制器

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

分类号: TN249

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000604

总页数: 62

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