本發(fā)明涉及光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器的，特別涉及一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法。

背景技術(shù)：

1、激光光束通常以高斯光束的形式存在，即表現(xiàn)為能量呈高斯分布，這一特性使得其被應(yīng)用在激光加工、焊接、雕刻、打孔、核物理應(yīng)用以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中時(shí)，會(huì)由于能量的非均勻性導(dǎo)致局部溫度急劇升高，從而干擾激光與物質(zhì)的交互作用，影響應(yīng)用效果，對(duì)激光的廣泛應(yīng)用構(gòu)成限制。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)特定的需求，為消除這種由能量不均帶來(lái)的不利影響，有必要將高斯光束調(diào)整為能量均勻分布的平頂光束。平頂光束的能量分布更為均勻，能夠更有效地利用能量，減少對(duì)周圍區(qū)域的損傷。

2、衍射光學(xué)元件(diffractive?optical?element,doe)通過(guò)二維分布的衍射單元對(duì)激光波前位相分布進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，能夠改變輸入光束的相位，得到所需要的光強(qiáng)分布，并且能量利用率高，因此利用doe對(duì)光束進(jìn)行整形是一種理想的選擇。

3、傳統(tǒng)方法中主要利用優(yōu)化算法，如gerchberg?saxton(g-s)算法、模擬退火算法以及人工智能算法等，根據(jù)所需光束整形結(jié)果優(yōu)化迭代得到doe的相位分布。但是通常這種通過(guò)算法迭代所得到的相位是離散的，相位分布存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致輸出面發(fā)生干涉相長(zhǎng)或干涉相消，進(jìn)而帶來(lái)嚴(yán)重的散斑噪聲。

4、為了解決散斑噪聲問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)主要從兩個(gè)方面對(duì)doe的相位進(jìn)行優(yōu)化，其一是對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，例如采用雙約束條件，即同時(shí)約束振幅和相位，或者修改優(yōu)化算法的迭代方式等；這些方法雖然能抑制部分散斑，但是相位分布仍舊呈現(xiàn)雜亂無(wú)序排布，勻化后的光束勻化效果如圖1中(a)所示，沒有從根本上解決問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)采用的另一種方式是通過(guò)計(jì)算得到特定形狀的解析解，得到的解析解相位是周期性排布的，理論上可以得到無(wú)散斑的輸出光束，但是該方法僅使用幾何假設(shè)，而忽略了衍射效應(yīng)，這將使相鄰的映射點(diǎn)發(fā)生重疊和干涉，最終導(dǎo)致強(qiáng)度低于最初假定的強(qiáng)度，而靠近邊緣的位置處重疊的映射點(diǎn)相對(duì)于中間位置較少，進(jìn)而邊緣的強(qiáng)度變得更大，如圖1中(b)所示；部分場(chǎng)景下，通過(guò)一個(gè)小于1的常數(shù)修正相位圖，優(yōu)化結(jié)果如圖1中(c)所示，這樣帶來(lái)的另一問(wèn)題是過(guò)渡區(qū)域增大，降低整形后圖像的邊緣銳利度，影響其實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為，通過(guò)對(duì)修正后的解析解法相位進(jìn)行頻域?yàn)V波處理，將相位進(jìn)行傅里葉變換后利用空間濾波器進(jìn)行濾波，再通過(guò)逆傅里葉變換得到新的衍射光學(xué)元件相位分布；通過(guò)調(diào)整空間濾波器的尺寸與形狀，可以得到邊緣銳利且均勻性良好的光束勻化效果；由于通過(guò)該方法優(yōu)化后得到的光場(chǎng)是復(fù)振幅分布，同時(shí)具有相位與振幅信息，故進(jìn)一步利用雙相位的方法通過(guò)純相位編碼的衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)復(fù)振幅調(diào)控。

3、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，所述方法包括以下步驟：

4、s1獲取入射光束，基于預(yù)設(shè)的勻化光束，獲得對(duì)應(yīng)的幾何解析相位分布；

5、s2調(diào)整所述勻化光束為矩形平頂光束，對(duì)獲得的幾何解析相位進(jìn)行相位修正處理；

6、s3基于空間頻率濾波方法處理所述相位修正后的幾何解析相位，得到處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，所述處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求同時(shí)具有相位和振幅調(diào)控需求；

7、s4設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，使其實(shí)現(xiàn)所需的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，并利用該衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)將入射光束整形為所述矩形平頂光束。

8、優(yōu)選地，s1中，對(duì)于入射光束在輸入平面上的任一點(diǎn)(x,y)，其通過(guò)原始衍射光學(xué)元件后對(duì)應(yīng)至輸出平面上的點(diǎn)(x',y')；所述原始衍射光學(xué)元件的透過(guò)率t(x,y)滿足其中，i為虛數(shù)，λ為波長(zhǎng)，f為焦距。

9、優(yōu)選地，s2中，基于入射光束和預(yù)設(shè)矩形平頂光束的束腰，調(diào)整勻化光束，修正的衍射光學(xué)元件的透過(guò)率為t(x,y)'，滿足

10、

11、其中，a1x和a1y對(duì)應(yīng)入射光束的束腰半徑，a2x和a2y對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)矩形平頂光束的束腰半徑，|k|＜1；此處，束腰半徑是指光束橫向?qū)挾鹊囊话?，即光?qiáng)降為中心光強(qiáng)1/e2處的點(diǎn)離中心的位置；

12、調(diào)節(jié)k，獲得相位修正后的勻化光束。

13、此處的調(diào)節(jié)包括但不限于利用算法優(yōu)化，代入不同的k值后確認(rèn)優(yōu)化結(jié)果，針對(duì)不同的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置不同的k值。

14、優(yōu)選地，s3中，所述空間頻率濾波方法將相位修正后的幾何解析相位進(jìn)行傅里葉變換后，通過(guò)空間濾波器濾波，再以逆傅里葉變換得到處理后的透過(guò)率函數(shù)，作為光場(chǎng)調(diào)控分布需求的表征。

15、優(yōu)選地，s4中，以雙相位編碼方法設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，并對(duì)入射光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)振幅調(diào)控。

16、優(yōu)選地，對(duì)于任意二維復(fù)振幅光場(chǎng)u(x,y)，將任一矢量分解為兩個(gè)模相等的向量，得到u(x,y)＝bexp(iθ1(x,y))+bexp(iθ2(x,y))，其中，b＝amax/2為常數(shù)，amax為振幅a(x,y)的最大值，exp(iθ1(x,y))和exp(iθ2(x,y))為相位項(xiàng)；

17、將θ1(x,y)與θ2(x,y)按照特定方法(如棋盤格法)拼接在同一衍射光學(xué)元件上，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的復(fù)振幅調(diào)控。

18、優(yōu)選地，θ1(x,y)和θ2(x,y)為相位屏結(jié)構(gòu)函數(shù)，滿足，

19、

20、其中，為相位。

21、優(yōu)選地，經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件處理后的勻化光束的邊緣銳利度大于相位修正后的勻化光束。

22、優(yōu)選地，以均方根誤差rmse評(píng)價(jià)實(shí)際輸出強(qiáng)度與理想輸出強(qiáng)度的逼近程度、以能量集中度η評(píng)價(jià)衍射光學(xué)元件的能量轉(zhuǎn)換效率，以不均勻性σ評(píng)價(jià)信號(hào)區(qū)域光束的平滑程度。

23、優(yōu)選地，基于整形后的光束的評(píng)價(jià)優(yōu)化衍射光學(xué)元件。

24、本發(fā)明涉及一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，獲取入射光束，基于預(yù)設(shè)的勻化光束，獲得對(duì)應(yīng)的幾何解析相位分布；調(diào)整所述勻化光束為矩形平頂光束，對(duì)獲得的幾何解析相位進(jìn)行相位修正處理；基于空間頻率濾波方法處理所述相位修正后的幾何解析相位，得到處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，所述處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求同時(shí)具有相位和振幅調(diào)控需求；設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，使其實(shí)現(xiàn)所需的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，并利用該衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)將入射光束整形為所述矩形平頂光束。

25、本發(fā)明的有益效果在于，可以實(shí)現(xiàn)均勻性高、邊緣銳利且衍射效率高的光束勻化效果，在激光焊接、光刻以及生物醫(yī)學(xué)等各方面獲得廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：s1中，對(duì)于入射光束在輸入平面上的任一點(diǎn)(x,y)，其通過(guò)原始衍射光學(xué)元件后對(duì)應(yīng)至輸出平面上的點(diǎn)(x',y')；所述原始衍射光學(xué)元件的透過(guò)率t(x,y)滿足其中，i為虛數(shù)，λ為波長(zhǎng)，f為焦距。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：s2中，基于入射光束和預(yù)設(shè)矩形平頂光束的束腰，調(diào)整勻化光束，修正的衍射光學(xué)元件的透過(guò)率為t(x,y)'，滿足

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：s3中，所述空間頻率濾波方法將相位修正后的幾何解析相位進(jìn)行傅里葉變換后，通過(guò)空間濾波器濾波，再以逆傅里葉變換得到處理后的透過(guò)率函數(shù)，作為光場(chǎng)調(diào)控分布需求的表征。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：s4中，以雙相位編碼方法設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，并對(duì)入射光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)振幅調(diào)控。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：對(duì)于任意二維復(fù)振幅光場(chǎng)u(x,y)，將任一矢量分解為兩個(gè)模相等的向量，得到u(x,y)＝bexp(iθ1(x,y))+bexp(iθ2(x,y))，其中，b＝amax/2為常數(shù)，amax為振幅a(x,y)的最大值，exp(iθ1(x,y))和exp(iθ2(x,y))為相位項(xiàng)；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：θ1(x,y)和θ2(x,y)為相位屏結(jié)構(gòu)函數(shù)，滿足，

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件處理后的勻化光束的邊緣銳利度大于相位修正后的勻化光束。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：以均方根誤差rmse評(píng)價(jià)實(shí)際輸出強(qiáng)度與理想輸出強(qiáng)度的逼近程度、以能量集中度η評(píng)價(jià)衍射光學(xué)元件的能量轉(zhuǎn)換效率，以不均勻性σ評(píng)價(jià)信號(hào)區(qū)域光束的平滑程度。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，其特征在于：基于整形后的光束的評(píng)價(jià)優(yōu)化衍射光學(xué)元件。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于空間頻率濾波的衍射光學(xué)元件光束整形方法，獲取入射光束，基于預(yù)設(shè)的勻化光束，獲得對(duì)應(yīng)的幾何解析相位分布；調(diào)整所述勻化光束為矩形平頂光束，對(duì)獲得的幾何解析相位進(jìn)行相位修正處理；基于空間頻率濾波方法處理所述相位修正后的幾何解析相位，得到處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，所述處理后的光場(chǎng)調(diào)控分布需求同時(shí)具有相位和振幅調(diào)控需求；設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件，使其實(shí)現(xiàn)所需的光場(chǎng)調(diào)控分布需求，并利用該衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)將入射光束整形為所述矩形平頂光束。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)均勻性高、邊緣銳利且衍射效率高的光束勻化效果，在激光焊接、光刻以及生物醫(yī)學(xué)等各方面獲得廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：仇旻,謝智強(qiáng),李策
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西湖大學(xué)光電研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9