基于液晶空间光调制器的激光束整形

论文摘要

激光器发出的光束光强呈现高斯分布,传播路径为双曲线,这些性质在很大程度上制约了激光技术的应用和发展。例如：在某些半导体的加工中,平顶光束能够改善激光能量加工窗从而提高效率；在激光投影印刷中需要均匀的光强；在激光雷达和相干成像中,远场光源需要均匀照明。因此需要对激光器发出的高斯光束进行空间整形,即将高斯光束整形为平顶光束。本文采用液晶空间光调制器进行光束整形,通过改变液晶空间光调制器的相位函数来实现高斯光束的实时整形,是一种可控、高效的光束整形方法。本文的内容可以分为以下几个方面：首先,分析了目前激光整形领域中典型的光束整形技术,并比较了它们的优缺点。介绍了液晶空间光调制器的发展现状及工作原理,总结了采用液晶空间光调制器进行光束整形的优势。其次,研究了液晶空间光调制器相位函数设计的原理及常用的优化迭代算法,在盖师贝格-撒克斯通算法的基础上,提出了PMA-平滑修正混合算法,降低了输出光束的顶部不均匀度和均方根误差,并利用该算法完成了液晶空间光调制器的相位函数设计。再次,设计并完成了基于液晶空间光调制器的光束整形实验。本文利用液晶空间光调制器的相位调制特性,结合PMA-平滑修正混合算法,设计了实验光路,进行了光学实验,实现了高斯光束的光强整形,获得了近“平顶”光束,从而证明本文采用液晶空间光调制器进行光束整形,是一种有效的光束整形方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 典型的激光束整形方法
• 1.2.1 液晶空间光调制器
• 1.2.2 双折射透镜组整形系统
• 1.2.3 长焦深整形系统
• 1.2.4 衍射光学元件
• 1.2.5 微透镜阵列整形系统
• 1.2.6 非球面透镜组整形系统
• 1.2.7 随机相位板
• 1.3 液晶空间光调制器
• 1.3.1 空间光调制器概述
• 1.3.2 液晶空间光调制器的发展与现状
• 1.4 本文的主要内容安排
• 2 液晶空间光调制器研究的基本理论
• 2.1 液晶及其分类
• 2.2 液晶的电光效应
• 2.2.1 电控双折射效应
• 2.2.2 动态散射效应
• 2.2.3 扭曲向列效应
• 2.2.4 混合场效应
• 2.3 液晶空间光调制器实现光调制的理论分析
• 2.3.1 Jones矩阵的基本理论
• 2.3.2 基于Jones矩阵的光调制理论
• 3 激光光束整形的基础理论
• 3.1 标量衍射理论
• 3.1.1 基尔霍夫衍射公式
• 3.1.2 菲涅耳衍射公式
• 3.1.3 夫琅和费衍射公式
• 3.1.4 平面波角谱理论
• 3.2 矢量衍射理论
• 4 液晶空间光调制器的相位函数设计
• 4.1 相位函数设计原理
• 4.2 相位函数设计常用的算法分析
• 4.2.1 盖师贝格-撒克斯通算法
• 4.2.2 杨-顾算法
• 4.2.3 遗传算法
• 4.2.4 模拟退火算法
• 4.2.5 爬山-模拟退火混合算法
• 4.2.6 GSGA混合算法
• 4.3 相位函数设计算法的改进方案
• 4.3.1 PMA算法
• 4.3.2 平滑修正法
• 4.3.3 PMA-平滑修正混合算法
• 5 基于液晶空间光调制器的光束整形实验
• 5.1 实验装置及各部分的作用
• 5.2 实验步骤及结果
• 5.3 实验结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢