用于激光光束整形的衍射光学元件设计

摘要

近年来，激光技术已经广泛应用到工业、农业、医药卫生、国防和科学研究等国民经济各个领域，目前已经很难找到不应用激光技术的领域和部门了。然而激光光束的某些特性使得它的进一步广泛应用受到了限制。例如：激光束的光强呈高斯分布而不是均匀分布，它的传播路径是双曲线而不是直线，这些特性在某种程度上限制了它的应用。为了扩展激光的应用领域，提高激光技术的应用水平，就需要对激光束进行整形，以适应不同场合的要求。
　　 衍射光学元件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等优点，并能实现传统光学器件难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能，在激光光束整形方面有着广泛的应用前景。
　　 本文详细论述了用于激光光束整形的衍射光学元件设计基础理论和优化算法，并围绕三种设计模型，即标量模型、矢量模型和光线模型对衍射光学元件的优化设计展开深入研究，重点开展了基于标量模型的优化算法改进，基于矢量模型的亚波长衍射光学元件优化设计以及基于光线模型，借助ZEMAX软件设计模拟圆锥镜光学特性的透镜圆锥镜和实现长焦深、小焦斑的衍射光学元件等研究工作。具体内容包括：
　　 1.基于标量设计模型，提出了GSGA混合算法、平滑修正法和模糊控制迭代算法设计用于光束整形的衍射光学元件，计算机设计结果表明了这些算法的有效性。特别是模糊控制迭代算法，它将模糊控制理论应用到衍射光学元件的设计中，通过模糊决策智能地选择优化路径，从而基本克服了算法易陷入局部最优的问题。
　　 2.对具有非周期结构的亚波长衍射光学元件设计展开研究。基于Mansuripur的矢量衍射模型，提出矢量模糊控制迭代算法设计用于光束整形的亚波长衍射光学元件。通过对设计结果的分析、比较、讨论以及借助时域有限差分法的进一步分析，验证了方法的有效性。而且，针对Mansuripur矢量衍射模型中某些假设条件过于主观，提出了改进方案。重新推导衍射公式，建立改进的欠量模型，并基于改进模型设计了亚波长衍射元件。
　　 3.在光线理论模型的基础上，采用ZEMAX软件对模拟圆锥镜光学特性的透镜圆锥镜和实现长焦深、小焦斑的衍射光学元件设计展开研究。通过合理设计目标函数，编写所需的外部扩展程序，并借助软件自身的优化能力完成了元件的设计任务，在设计过程中，为了平衡轴上光强分布均匀和主光斑大小不变这两个不兼容的条件，提出了加权的方法设计目标函数，取得了别人满意的设计结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 衍射光学元件的发展

1.2 衍射光学元件特点

1.3 典型的激光束整形技术

1.4 衍射光学元件在光束整形中的应用

1.5 衍射光学元件设计研究进展

1.5.1 基于标量模型的优化设计

1.5.2 基于矢量模型的优化设计

1.5.3 基于光线模型的优化设计

1.6 本文的主要内容

2 衍射光学元件设计基础理论

2.1 标量衍射理论

2.1.1 基尔霍夫衍射公式

2.1.2 菲涅尔衍射公式

2.1.3 夫琅和费衍射公式

2.1.4 平面波角谱理论

2.2 矢量衍射理论

2.2.1 边界元法

2.2.2 有限元法

2.2.3 时域有限差分法

2.3 光线模型理论

2.3.1 光栅方程法

2.3.2 高折射率法

2.4 本章小结

3 衍射光学元件设计常用算法分析和比较

3.1 典型优化算法回顾

3.1.1 G-S及其改进算法

3.1.2 杨-顾算法

3.1.3 最速下降法和共轭梯度算法

3.1.4 模拟退火算法

3.1.5 遗传算法

3.1.6 混合优化算法

3.2 各种算法设计结果分析和比较

3.3 本章小结

4 基于标量模型的衍射光学元件设计改进方案

4.1 GSGA混合算法

4.1.1 GSGA算法基本原理

4.1.2 计算机设计结果

4.2 平滑修正法

4.2.1 平滑修正法基本原理

4.2.2 计算机设计结果

4.3 模糊控制迭代算法

4.3.1 模糊控制理论

4.3.2 模糊控制器的建立

4.3.3 算法流程及设计结果

4.3.4 元件可加工性分析及设计软件开发

4.4 本章小结

5 基于矢量模型的亚波长衍射光学元件设计方法研究

5.1 Mansuripur模型和矢量迭代算法

5.1.1 Mansuripur矢量衍射模型

5.1.2 矢量迭代算法

5.2 矢量模糊控制迭代算法

5.2.1 算法描述

5.2.2 计算机设计结果分析和讨论

5.3 Mansuripur模型改进和利用改进模型设计亚波长元件

5.3.1 Mansuripur模型的改进

5.3.2 基于改进模型的亚波长元件设计

5.4 本章小结

6 基于光线模型的长焦深整形元件设计方法研究

6.1 透镜圆锥镜设计

6.1.1 透镜圆锥镜系统结构和工作原理

6.1.2 透镜圆锥镜优雅设计原理

6.1.3 计算机设计结果

6.2 长焦深衍射光学元件设计

6.2.1 设计原理

6.2.2 计算机设计结果

6.2.3 衍射光学元件的可加工性研究

6.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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