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题名:
衍射光学元件实现多模激光光束整形的研究
作者: 李媛媛
学位类别: 硕士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 周崇喜
关键词: 多模激光 ; 光束整形 ; 阵列型DOE ; 均匀性
学位专业: 机械设计及制造
中文摘要: 衍射光学元件(DOE)具有体积小、重量轻、容易复制的优点,并且能够将
输入光整形成任意输出分布,因此使用DOE 进行光束整形是一种极为有效的方法。
通常采用G-S 算法及其改进算法和模拟退火算法等全局搜索算法,以及两类算法
的混合来进行DOE 元件的优化设计。从设计原理可知,这类衍射光学元件的设计
是对确定的输入,输出光强分布进行迭代得到的,设计得到的衍射光学元件只能
用在特定的输入光强分布的光学系统中,该元件的使用宽容度比较小。当输入光
强分布变化较大时,该元件就不再满足使用要求。激光器输出的多模激光一般都
不稳定,而且很难用准确的数学表达式表达,因此使用DOE 进行整形比较困难。
在多模激光的匀化整形过程中多使用微透镜阵列结构组成的复眼透镜,该结构的
优点就是对输入不敏感,但是输出光的轮廓受透镜单元形状的影响只能整形成多
边形。因此要将多模激光整形成任意的输出光强分布,还要使用DOE。
使用DOE 对多模激光进行整形,要解决的问题主要有:将多模激光用数学表
达式进行表示,以方便DOE 的设计;另外,由于多模激光不稳定,需要采用新的
DOE 结构提高该元件的使用宽容度。
本文首先介绍了如何根据厂家提供的激光器参数来确定光束在束腰位置的场
强分布,并且根据设计要求使用自适应迭代(A-A)算法,设计了满足要求的衍
射光学元件。考虑多模激光本身具有不稳定性和光路调准误差的影响,仿真了当
输入光场强分布变化时,整形光束输出的变化情况。仿真结果表明传统的DOE 对
输入光束的变化比较敏感。传统的DOE 对多模激光进行整形不能达到很好的效果。
微透镜阵列和DOE 的组合结构具有微透镜阵列和DOE 的优点即对输入不敏
感并且整形灵活性比较好,被用在惯性约束核聚变系统的光束匀化中。在该论文
中使用这种结构对多模激光进行整形。通过计算模拟相同口径不同阵列数的阵列
型DOE 在不同输入下的整形情况,选择最优阵列数,设计了满足设计要求的阵列
DOE。仿真结果中发现,输出光在设计的轮廓内不是连续的而是由离散的亮斑构
成,而且亮斑之间暗区域比较大。本文从理论上对产生原因进行了分析。加工了
设计好的元件并且进行了测试实验。实验首先验证了阵列型DOE 对输入变化的不
敏感性,即对输入的宽容度的大小;然后对具有不同台阶数的三种器件分别进行
测试,发现虽然理论上量化台阶数越多越好,但是在加工中带入了很多加工误差,
从而影响了器件的性能;最后,将实验结果和仿真结果相比较,可以清晰的看到
实验中输出面上的亮斑,但是相邻两个亮斑之间暗区域比仿真结果中的小。通过分析,提出了通过发散角选取阵列数,进而改善输出光场强分布的不连续性问题。
以上所有的仿真和实验都是对相干光进行的,对于非相干光和部分相干光的研究
是下一步工作的重点。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/578
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李媛媛. 衍射光学元件实现多模激光光束整形的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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