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激光束空间整形的研究现状
发布时间:2012-11-06   点击次数:3230次

北京锦坤科技有限公司www.jonkon.com.cn

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

1 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,如位相片的厚度及器件边缘结构的量化控制。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zui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,这种电寻址液晶间光调制器能方便地与计算机接口,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。zui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分布。

理论和实验研究表明,采用液晶空间光调制器进行激光束的实时、可调控光束空间整形的新方法,可方便地获得所需形状(如方形、圆形等几何形状)的近“平顶”光强分布的近场光束,在高功率激光系统前级的光束空间整形中具有重要的应用前景。

2.4 双折射透镜组
zui近,美国劳伦斯里弗莫尔国家实验室使用了一种新型的空间光束整形系统,该系统利用两对石英双折射透镜实现了激光束的空间整形[6]。如图3所示,

                            
统由两对双折射晶体透镜L1,L2,L3,L4 和一个检偏器P组成,晶体的主轴方向垂直于系统的光轴方向,透镜L1,L4是两个完全相同的平凸透镜,对于偏振光透镜中心相当于l/2 波片,距透镜中心r0的边缘处相当于l/4波片,两镜对称排列。L2,L3是两个完全相同的平凹透镜,透镜中心相当于l/4 波片,距透镜中心r0 的边缘处相当于l/2 波片,两镜对称放置,让透镜L1,L4的主轴平行并保持不动,透镜L2,L3的主轴平行并作为一个整体可以绕系统的光轴旋转至任意角度。从前级激光放大器或振荡器中输出的线偏振光入射到该系统后,光束的偏振状态发生了改变,调节透镜对L2,L3 的主轴与透镜对L1,L4 主轴的夹角,入射到检偏器上的光束在不同的位置有不同的偏振态,经检偏器后得出射光可以被整形为中心部分平顶的光强较均匀的线偏振光。使用双折射元件组进行光束的空间整形的方法灵活方便,尤其适合于线偏振的高斯光束的整形。其zui大优点是可随着光束参数的变化灵活改变其透射率函数,而不像其他方法仅针对特定的光束参数而设计。

2.5 随机位相板
随机位相板(RPP)是由许多按列阵形式排列的小位相单元组成,每个小位相单元随机地被选择对入射的激光光束引入0 或π相位延迟,随机位相板上的列阵位相单元把入射光束波面分割为许多大小相同的子光束,经透镜聚焦在同一靶面上(焦平面上),靶面上光强分布由各个子波束的衍射图样随机叠加确定,从而达到平滑靶面的目的[7]。位相板位相单元的形状确定了透镜焦面焦斑的形状,位相板位相单元的大小确定了焦面焦斑的大小,通过改变位相单元的形状或大小,可以达到控制透镜焦面焦斑形状和大小的目的。

随机位相板法具有对靶面焦斑形状和大小易于控制、制作简单及容易使用等优点。但是,由于位相板列阵单元分割出的各子光束同样是相干的,透镜焦平面上光强分布实际是随机位相板上的单个小位相单元衍射光强分布受到各个小位相单元衍射光束之间相互干涉所调制的结果,靶面上不可避
免地存在干涉散斑。

3 几种典型的光束整形方法的评价
 

 

4 总结和展望
各种改进型加密系统在性能上有所提高,密钥的构成趋向多元化。但是这些系统一般没有综合考虑各个因素(密钥级别、系统简化、抗噪性能等),往往是提高了一方面的指标却降低了另外一方面的性能。例如,QPS级联加密系统,虽然密钥级别提高了,但是加密系统却复杂了。另外,几乎所有的加密系统都是采用平行光照射,没有充分利用照射光的固有特性来为加密服务,虽然利用照射光的波长和偏振态进行图像加密已有报道[6,8],但是利用照射光的相位因子进行图像加密的还未曾报道。因此这一领域的发展空间很大,理论和实验研究有待进一步深入。同时,随着网络和多媒体技术的不断发展,安全性与速度的矛盾日益突出,利用高速并行的光学信息处理系统进行光学图像加密必将会成为人们的研究热点。

5 结束语
迄今已经发展了多种激光束空间整形技术,有些技术已经成功地应用到固体激光器和气体激光器的光束整形中,输出光束质量较以前有很大提高。其中,二元光学元件以其强大的功能,在光束空间整形上将有着广泛的应用前景。如何得到能量利用率高、均匀化程度好的光束将是空间整形技术的发展目标。目前,激光束空间整形的研究继续向纵深发展,随着计算机模拟、设计手段进一步完善,将会出现更有效的空间整形技术和器件。


参考文献
1 毛文炜,傅振海. 实现灵活光束转换的二元光学器件及其应用. 中国激光,1997,A24(4):289~292
2 赵为党,杨李茗,虞淑环. 激光光束整形的设计和研究. 红外与激光工程,1999,28(1):29~32
3 黄骝,张少军,李延廷. 激光光束的空间整形理论基础及发展展望. 北京工业大学学报,2002,28(2):203~206
4 吕百达,蔡邦维,张彬. 强激光的空间整形和靶面均匀辐照技术. 红外与激光工程,1999,28(1):25~28
5 陈怀新,隋展,陈祯培. 采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形. 光学学报,2001,21(9):1101~1111
6 叶一东,吕百达,蔡邦维. 强激光的时间整形和空间整形———利用双折射透镜组实现激光束的空间整形.激光技术,1996,20(6):324~328
 

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