激光束空间整形的研究现状

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1、激光束空间整形的研究现状北京锦坤科技有限公司www.jonkon.com.cn哈尔滨工业大学光电子技术研究所摘要阐述了对激光器输出光束进行空间整形的必要性。介绍了目前常用的一些典型的光束整形方法和器件，并分析了各种方法的优点和缺点。关键词：光束整形，高斯光束，均匀化，强度分布Kewwords：beamshapingGaussianbeamuniformizationintensitydistribution1引言在激光技术的许多应用领域中，光束质量至关重要。激光材料加工，光学信息处理、存储和记录，激光的医学临床应用

2、等领域都对光束质量有较高的要求。在非线性光学的频率变换技术中，要求抽运激光束强度均匀；在高功率固体激光器和放大器中，输入光束的不均匀性会导致非线性效应，使输出光束质量变坏，甚至损坏激光工作物质。激光光束质量不仅影响激光器的整体性能，也极大地影响激光技术的应用水平。通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即高斯激光束。在很多应用中希望激光束是均匀分布。2几种典型的光束整形技术2.1二元光学元件近年来，使用二元光学元件(BOE)进行激光束空间域整形的技术发展很快[1]，并在实际应用中取得了很大的成绩。该技术成功

3、地将椭圆高斯光束变换为均匀圆光束，将半导体激光器的椭圆像散光束准直成整圆并消像散。该方法建立在衍射理论和惠更斯-菲涅耳衍射积分公式基础上，由光学和计算机技术及精细微加工、微电子技术和光刻技术相互交叉而成。在理论设计的基础上，根据要求输出的光束结构确定整形器件的复振幅反射率或复振幅透过率调制函数，进行材料选择，确定三维结构，用计算机进行微图形结构设计，使用光刻技术及微精细加工制造出二元光学器件。复振幅反射率分布函数、透射率分布函数的设计可用计算机来进行[2]。模拟计算可使用典型的计算机程序进行，也可以由具体的整形要求

4、即根据目标光波场函数，应用一定的方法，自行编制程序进行迭代模拟计算。常用的数值模拟方法[3]有：“FOX-Li迭代法”、“强度恢复法”、“快速汉克尔变换法”、“GS算法”、“YG算法”(杨一顾相位恢复算法)等。使用计算机数值模拟的方法已能较快、较好地完成整形器件复振幅透过率(或反射率)分布函数的确定，但在器件的生产制造上目前还受一些加工技术条件的限制，如位相片的精确厚度及器件边缘结构的精确量化控制。目前二元光学元件的激光损伤阈值较低，在强激光系统的应用上还有困难。但是它具有衍射效率高、光斑轮廓可调的特点，并能实现传

5、统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等功能，因此在光束整形方面有着广泛的应用前景。2.2光楔列阵(SWA)聚焦光学系统利用列阵光学系统实现均匀辐照的基本思路是：由列阵将入射激光分割成若干个子束，然后让这些子束在靶面上重叠起来，光束的分割和子束的叠加消除了入射激光光强分布不均匀性的影响，实现了对靶面的均匀辐照[4]。SWA线聚焦光学系统由焦距为f的柱透镜CL和光楔列阵SWA组成，利用图1所示SWA系统可得到长度l为厘米量级以及沿焦线方向的一维光强均匀分布。使用由两个正交SWA和一个焦距为f的透镜L组成的光学

6、系统可实现二维焦斑均匀辐照，焦斑宽度的变化范围可在数百微米至数毫米内。与衍射光学元件比较，SWA加工工艺简单，做成大口径、高抗光损阈值的器件没有材料和设备上的困难，是一类较为简单、实用的实现强激光靶面均匀辐照的光学器件。2.3液晶空间光调制器它是以电写入液晶空间光调制器为核心，结合滤波、CCD采集、监视器及计算机组成的实时、可调控的激光光束空间整形系统[5]。其一般结构如图2所示，它由两偏振片夹一液晶显示层构成。现在最通行的电寻址液晶空间光调制器是薄膜晶体管透射阵列式液晶电视，这种电寻址液晶空间光调制器能方便地与计

7、算机接口，在设定的光学调制模式下，实现相应的单元像素的振幅或相位的调制。液晶空间光调制器主要是通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对入射光束的波面振幅和相位的调制，即其光学调制特性主要是旋光偏振性和双折射性。通过设置不同的偏振片的相对偏振方位，改变加在液晶像素上的电压，可获得相应液晶空间光调制器的调制模式与调制特性曲线。择适当的结构参数，可使液晶电视的振幅投透射率变化范围大，而其相位调制小，近似为液晶电视处于振幅调制模式。因此可在振幅模式下，实时显示软边切趾光阑，而不会对波前带来大的畸变影响。确定软边切趾光阑透

8、射率函数的方法是：首先在无光阑情况下，由CCD采集入射光束的光强分布。其次，设定对入射光束切趾后获得的超高斯光束，采用数值图像处理技术，可确定切趾软边光阑的透射率函数分布。最后，由计算机存储的软边光阑数据，根据液晶电视的调制特性曲线，便可将切趾软边光阑实时显示于液晶电视上，选择适当大小的滤波小孔，滤掉高频调制的空间频率分量，便可在输出面上采集到整形光束的光强