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用于激光束整形的衍射光学元件的设计

作　者: 庞辉
导　师: 应朝福
学　校: 浙江师范大学
专　业: 光学
关键词: 光束整形衍射光学元件迭代算法菲涅尔衍射夫琅禾费衍射
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着光电产业的蓬勃发展,激光的应用领域日趋广泛,对于光束整形的需求也日益扩大。由于衍射光学元件(Diffractive Optical Elements, DOE)具有厚度薄、重量轻、易于复制等诸多优点,目前已经成为激光束整形领域的一个研究热点。利用衍射光学元件进行激光束整形的原理是基于光波的衍射理论,采用计算机辅助设计,并结合超大规模集成电路制作工艺,在基片上刻蚀产生两个或多个的台阶深度的浮雕结构。本文详细论述了用于激光束整形的衍射光学元件设计的理论基础和设计方法,并针对高斯光束的整形进行了初步的实验研究。本文主要工作如下：首先,介绍了DOE设计所必需的理论基础,即标量衍射理论,并给出了DOE的设计原理以及评价DOE性能的评价函数。详细地阐述了如何利用GS算法、模拟退火算法和遗传算法来设计DOE,并对于将入射的平行光束整形成人字形图案的问题,比较了三种方法设计得到的结果,并通过光学实验进行了比较。提出了一种混合遗传迭代爬山算法,将遗传算法和迭代量化傅里叶变换算法结合起来,直接设计量化的DOE,并与GS算法进行了比较。其次,编写了相应的衍射光学元件设计的程序,针对夫琅禾费衍射系统,进行了高斯光束的整形实验。对实验中出现的一些现象,给出了理论分析。对于菲涅尔衍射系统,由于衍射的计算机计算有三种抽样方法,分别用三种设计方法进行光束整形实验,并比较了对应的实验结果。最后,鉴于传统的光束整形技术只有一种光强的输出,而在光镊子和彩色图像等应用中,希望在不同的输出平面上得到不同的光强分布。介绍了一种典型的串行迭代算法来设计多平面的输出,提出了一种改进的设计方法,并与原有的串行迭代方法进行了比较,通过实验验证了所提出的设计方法的可行性。最后,基于实验室现有的DWL66激光直写系统,阐述了DOE的实物加工制作工艺。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
1 绪论  8-16
  1.1 研究背景与意义  8-9
  1.2 衍射光学元件  9-11
    1.2.1 衍射光学元件的定义  10
    1.2.2 衍射光学元件的特点  10-11
  1.3 衍射光学元件用于激光束整形的研究概述  11-14
    1.3.1 国外研究现状  11-13
    1.3.2 国内研究现状  13-14
  1.4 本论文的主要内容及结构安排  14-16
2 DOE设计的基本理论与方法  16-33
  2.1 标量衍射理论  16-19
  2.2 DOE的设计原理  19-20
  2.3 DOE的常用设计方法分析与比较  20-28
    2.3.1 GS算法  20-21
    2.3.2 模拟退火算法  21-23
    2.3.3 遗传算法  23-24
    2.3.4 三种算法的比较  24-28
  2.4 合遗传迭代爬山算法  28-33
3 高斯光束整形的实验研究  33-47
  3.1 夫琅禾费衍射系统实验  33-40
    3.1.1 DOE的设计  33-36
    3.1.2 计算机设计结果  36-38
    3.1.3 实验结果  38-40
  3.2 菲涅尔衍射系统实验  40-42
    3.2.1 衍射计算的三种方法  40-41
    3.2.2 三种设计方法整形结果比较  41-42
  3.3 高衍射级次分析  42-45
  3.4 焦斑均匀性分析  45-46
  3.5 小结  46-47
4 控制三维光场的衍射光学元件的设计  47-57
  4.1 基于串行迭代算法的设计  48-50
    4.1.1 算法描述  48-49
    4.1.2 设计实例  49-50
  4.2 改进的基于傅里叶积分的设计  50-55
    4.2.1 设计思路  50
    4.2.2 算法描述  50-52
    4.2.3 设计实例  52-53
    4.2.4 实验结果  53-55
  4.3 两种设计方法的比较  55-56
  4.4 小结  56-57
5 总结与展望  57-58
参考文献  58-63
攻读学位期间取得的研究成果  63-64
致谢  64-66

用于激光束整形的衍射光学元件的设计

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