利用液晶空间光调制器将激光整形为平顶光束的研究

摘要

随着激光技术的发展，激光在人们生活中的运用越来越广泛，但是激光束的高斯光强分布在很多时候却限制了激光的运用，例如在激光雷达、激光投影印刷、激光惯性约束核聚变等技术中，通常需要光强分布均匀的平顶激光束作为光源。本文利用液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LCSLM）作为整形器件，通过对求解相位分布的算法进行改进，最终在改变光束相位分布后实现了光束强度的整形，并且成功地在实验条件下得到了平顶光束；通过仿真结果与实验结果的对比，验证了改进算法的正确性。研究内容如下：
　　（1）对目前几种光束整形方案进行简要地介绍，总结了它们各自的优缺点，最终确立了利用液晶空间光调制器进行光束整形的方案；在确定整形方案后，又对该方案中所涉及的衍射原理以及空间光调制器的相位调制原理进行了分析与介绍。
　　（2）介绍了全局算法和局部算法的基本思想，并且对这两大类算法作了比较详细地分析。在考虑到全局算法的运算量过大、耗时过长的缺点后，本文决定用局部算法作为光束整形时计算相位分布的基本算法。随后重点介绍了局部算法中的GS（Gerchberg-Saxton盖斯贝格-萨克斯通）算法以及在此基础上引申出的Adaptive-Additive算法和MRAF算法，它们都属于迭代算法。本文利用MATLAB对整形过程进行数值的运算与理论的仿真，分析了这几种算法的优缺点，以及它们在实验上实现平顶光束输出的困难。
　　（3）提出了一种基于MRAF算法的改进算法，由于MRAF算法得到的输出光束噪声区域杂散光太强，所以在实际光束整形实验中难以获得均匀性好的平顶光束。改进算法则克服了MRAF算法在实际光束整形中的困难，通过对改进算法的数值计算与理论仿真，在理论上得到了顶部不均匀度只有3.5％，能量利用率达到76%的平顶光束。将改进算法与上面三种算法作比较，得出了它在生成平顶光束方面的优越性。
　　（4）设计了利用液晶空间光调制器实现光束整形的光学系统，并且在光学平台上对整形系统成功地进行了搭建。把代表相位分布的灰度图输入空间光调制器后，通过光阑滤除噪声光强，并且利用闪耀光栅的原理，消除了零级衍射光对于输出光束的影响，成功地实现了平顶光束的输出。实验结果表明，输出平顶光束的顶部不均匀度为4.7%，能量利用率为71%，实验结果与仿真结果基本符合，证明了基于MRAF算法的改进算法确实能够计算出整形元件的相位分布，实现平顶光束的输出。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 光束整形的主要方法

1.3 相位计算法的研究现状

1.4 目前相位分布算法的局限性

1.5 主要研究内容及安排

1.6 本章小结

第2章 光束整形的衍射理论

2.1 引言

2.2 衍射理论基础

2.3 夫琅和费逆衍射公式

2.4 夫琅和费变换和傅里叶变换的关系

2.5 本章小结

第3章 液晶空间光调制器的相位调制

3.1 引言

3.2 液晶的光学特性

3.3 液晶空间光调制器的基本原理

3.4 灰度图与相位调制的关系

3.5 LCSLM的微观结构与零级衍射光斑的消除

3.6 水平线偏振光的生成

3.7 本章小结

第4章 整形算法的设计与仿真

4.1 引言

4.2 光束参数与评价指标

4.3 全局算法

4.4 局部算法的介绍与仿真

4.5 改进算法的设计与仿真

4.6 算法仿真结果的比较

4.7 本章小结

第5章 整形实验与误差分析

5.1 引言

5.2 实验器件的选择

5.3 整形实验的过程介绍

5.4 整形实验的结果

5.5 系统误差分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录