控制波前传播的三维环形光束变换器的设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文控制波前传播的三维环形光束变换器的设计姓名：吕俊峰申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：张静娟2003.5.1摘要珧15』幻三维环形光束变换器是将入射光束变换成在传播方向上有一定焦深的等光强环形光束的器件，它在激光加工、热处理、光刻技术、光学材料制作、z扫描技术以及增强光阱捕获力等各领域都有广泛应用，但直接产生环形光束十分困难，应用衍射光学元件(DOE)可控制波前传播、设计自由度广、衍射效率高的特点，设计并研制出三维环形光束变换器是可行的。本论文基于非传统衍射光学元件的设计理论，深入研究了模拟退火法(SA)、体迭代加权投影算法(

2、BrwP)和及其混合算法(SA--BIWP)在新型衍射光学元件设计中的应用，针对三种常见的三维环形光束变换器进行了模拟设计，取得了有益的成果。主要研究工作包括：我们分别用SA算法、BIWP算法和混合算法SA—BIWP，对DOE的相位分布采用直接量化设计，成功地实现了将入射的均匀平面波分别变换为沿纵向调制的等光强单圆环光束、伴有中心亮点的圆环以及双圆环光束输出，并使输出光束在距该元件(z=76mm～90mm)的范围内不发散传播。文中着重对这三种算法进行了比较，在实验参数相同的情况下，SA--BIWP混合算法的衍射效率最高，在整个三维纵向区域内，环内的能量占总

3、输出能量的百分比都高达83％以上，在z=80mm～87ram中间区域内能量分布曲线比较平滑；在任意输出截面内，环内光强相对均匀，没有能量旁瓣产生。模拟结果表明，模拟退火与迭代的混合算法抗局部干扰能力强、不依赖于初始条件的选取，衍射效率高，对设计实现控制波前传播的非传统衍射光学元件十分有效，具有良好的收敛性和通用性。除此之外，论文还介绍了在GaAs材料上制作DOE的现状和发展，分析了该领域近期的研究热点及重要成果，其中着重对现有刻蚀技术进行了介绍：然后以几种简单的异形光栅为代表，对在GaAs材料上设计制备DOE做了初步尝试。最后，应用CCD图像传感器和LS一

4、2000软件，对由DOE和大功率半导体激光器(LD)组成的红外集成照明系统进行了检测，结果表明系统中DOE对LD的发散角特性有明显的改善。综上所述，本文针对设计三维环形光束变换器进行了有意义的研究，在控制波前传播的非传统衍射光学元件的设计理论和计算方法上进行了较为深入的探索，取得了较好的理论设计结果。关键词：衍射光学元件，波前变换，三维环形光束变换器，SA--BIWP混合算法。AbstractThethree—dimensionalring—beamconvertoriSanopticalelementthatcanconvertaninputbeamtO

5、aringbeamwithcertainfocaldepthinthedirectionofpropagationItiswidelyusedinmanyfieldssuchaslasermachining，heattreatment，opticallithography，opticalmaterialsfabrication，Z—scanandtheeffectivetrapforcesHowever,itisdifficulttoproducearing—beamwithgoodqualitydirectlybyconventionalmethodsA

6、sweknow,diffractiveopticalelements(DOE)cancontrolthewavefrontpropagationwithhighdiffractiveefficiencyAndtheycanbefreelydesignedtofitvariousneedsSoitisprospectivetodesignaDOEasaring-beamconvertor,Inthisthesis，theSimulatedAnnealingmethodalgorithm(SA)，theBlock—IterativeWeightedProjec

7、tionsalgorithm(SlWe)andthehybridalgorithm(SA—BIWP)arestudieddeeplyinthedesignofDOEs，whichbasedonthetheoryofunconventionalDOEs’designingSomeapplicableresultsareobtainedinthedesigningofthreering-beamconvertorsThemainresultsaresummarizedasfollows：threespatiallyquantizedDOEswith16phas

8、elevelsaredesignedforcontrollingt