CN107192537A - 一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统 - Google Patents

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CN107192537A CN201710277038.7A CN201710277038A CN107192537A CN 107192537 A CN107192537 A CN 107192537A CN 201710277038 A CN201710277038 A CN 201710277038A CN 107192537 A CN107192537 A CN 107192537A
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Abstract

本发明提供了一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法和系统，其中的方法包括获取衍射光学元件的位相数据；根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；以及，对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。本发明实现了对衍射光学元件的整形效果的快速及准确的验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。

Description

一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统
技术领域
本发明涉及光学元件设计技术领域，具体涉及一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统。
背景技术
衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，是一种基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并通过大规模和超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶的浮雕结构，形成同轴再现并具有极高衍射效率的一类光学器件。衍射光学元件除了具有体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点外，还具有许多传统的光学元件所不具备的优点，例如高衍射效率、独特的色散特性、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等。目前，衍射光学元件已经被广泛应用到激光束整形中，实现将原始激光束整形为满足实际应用需求的具有特定光强分布的光束。
利用衍射光学元件实现激光束整形的主要研究在于设计方法上，也即根据实际的光束输入和理想的光束输出，如何来求解衍射光学元件表面的位相分布。基于各种优化算法计算所得的位相数据，需要知道其对入射光的整形效果，以此决定此位相数据是否可行。而判断其整形效果的验证方法通常是借助于液晶纯相位空间光调制器，通过搭建检测光路，在实验台面上开展整形效果的测试实验，从而观察此位相数据对输入光束的整形效果是否与设计要求的理想输出光束相一致。
现有的衍射光学元件整形效果的验证方法，通常是借助于空间光调制器来完成。首先需要搭建检测光路，将计算所得的位相数据输入空间光调制器，检测出射光束的整形效果，以此来判断此位相数据是否能使整形后光束与设计要求的理想输出光束相一致。此种整形效果的验证方法所需元器件较多，方式较为复杂，耗时较长。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统，实现了对衍射光学元件的整形效果的快速及准确的验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法，所述方法包括：
获取衍射光学元件的位相数据；
根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；
以及，对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
进一步的，所述多重衍射传递函数包括：菲涅尔衍射传递函数、基尔霍夫衍射传递函数、瑞利-索末菲衍射传递函数和角谱衍射传递函数。
进一步的，所述获取衍射光学元件的位相数据，包括：
获取所述衍射光学元件的位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布；
根据所述位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布U入射(x0,y0)，确定通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)。
进一步的，所述根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值，包括：
根据所述通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)，分别基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1、基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，以及，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4。
进一步的，所述基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1，包括：
根据公式一，基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1：
U(x,y)1＝F-1{F{U0(x0,y0)}HF(fx,fy)} 公式一
在公式一中，HF(fx,fy)为菲涅尔衍射传递函数；F为傅里叶变换。
进一步的，所述基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2，包括：
根据公式二，基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2：
U(x,y)2＝F-1{F{U0(x0,y0)}HJ(fx,fy)} 公式二
在公式二中，HJ(fx,fy)为基尔霍夫衍射传递函数；F为傅里叶变换。
进一步的，所述基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，包括：
根据公式三，基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3：
U(x,y)3＝F-1{F{U0(x0,y0)}HR(fx,fy)} 公式三
在公式三中，HR(fx,fy)为瑞利-索末菲衍射传递函数；F为傅里叶变换。
进一步的，所述基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4，包括：
根据公式四，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4：
U(x,y)4＝F-1{F{U0(x0,y0)}HB(fx,fy)} 公式四
在公式四中，HB(fx,fy)为角谱衍射传递函数；F为傅里叶变换。
进一步的，所述对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据验证结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性，包括：
对所述U(x,y)1、U(x,y)2、U(x,y)3和U(x,y)4进行一致性检验；
若其检验结果在预设阈值范围内，则确定所述衍射光学元件的整形效果准确。
另一方面，本发明还提供一种衍射光学元件激光整形效果的验证系统，所述方法包括：
位相数据获取模块，用于获取衍射光学元件的位相数据；
光波复振幅值获取模块，用于根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；
一致性检验模块，用于对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统，其中的方法包括获取衍射光学元件的位相数据；根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；以及，对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。本发明实现了对衍射光学元件的整形效果的快速及准确的验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法的流程示意图。
图2是本发明的验证方法中步骤100的关系示意图。
图3是本发明的验证方法中步骤200的流程示意图。
图4是本发明的验证方法中步骤300的流程示意图。
图5是本发明的应用实例中的衍射计算的参考坐标的示意图。
图6是本发明的应用实例中位相设计时模拟计算的输出光束分布的三维图。
图7是本发明的应用实例中的位相设计时模拟计算的输出光束分布的截面图。
图8是本发明的应用实例中的计算所得的衍射光学元件位相数据。
图9是本发明的应用实例中的菲涅尔衍射传递函数算法计算的输出光束分布的三维图。
图10是本发明的应用实例中的菲涅尔衍射传递函数算法计算的输出光束分布的截面图。
图11是本发明的应用实例中的基尔霍夫衍射传递函数算法计算的输出光束分布的三维图。
图12是本发明的应用实例中的基尔霍夫衍射传递函数算法计算的输出光束分布的截面图。
图13是本发明的应用实例中的瑞利-索末菲衍射传递函数算法计算的输出光束分布的三维图。
图14是本发明的应用实例中的瑞利-索末菲衍射传递函数算法计算的输出光束分布的截面图。
图15是本发明的应用实例中的角谱衍射传递函数算法计算的输出光束分布的三维图。
图16是本发明的应用实例中的角谱衍射传递函数算法计算的输出光束分布的截面图。
图17是本发明的一种衍射光学元件激光整形效果的验证系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例一公开了一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法的具体实施方式，参见图1，所述方法具体包括如下内容：
步骤100：获取衍射光学元件的位相数据。
在步骤100中，利用衍射光学元件实现激光束整形的主要研究在于设计方法上，也即根据实际的光束输入和理想的光束输出，如何来求解衍射光学元件表面的位相分布。基于各种优化算法计算所得的位相数据，需要知道其对入射光的整形效果，以此决定此位相数据是否可行，因此需要先获取前期经过计算后得出的衍射光学元件的位相数据。
步骤200：根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值。
在步骤200中，所述多重衍射传递函数包括：菲涅尔衍射传递函数、基尔霍夫衍射传递函数、瑞利-索末菲衍射传递函数和角谱衍射传递函数；基于模拟计算验证的方式，利用菲涅尔衍射、基尔霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角谱衍射的传递函数算法，对衍射光学元件位相数据的整形输出效果展开模拟计算。
步骤300：对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
在步骤300中，以模拟计算结果的一致性作为整形效果的验证方式，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
从上述描述可知，本发明的实施例需在计算机上模拟计算，即可对衍射光学元件的整形效果进行验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。
本发明的实施例二公开了上述验证方法中步骤100的具体实施方式，参见图2，所述步骤100具体包括如下内容：
步骤101：获取所述衍射光学元件的位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布。
步骤102：根据所述位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布U入射(x0,y0)，确定通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)。
从上述描述可知，本发明的实施例给出了获取衍射光学元件的位相数据的快速且准确的方式，保证了后续验证的准确性。
本发明的实施例三公开了上述验证方法中步骤200的具体实施方式，参见图3，所述步骤200具体包括如下内容：
根据所述通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)，分别基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1、基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，以及，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4，具体包括：
步骤201：根据公式一，基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1：
U(x,y)1＝F-1{F{U0(x0,y0)}HF(fx,fy)} 公式一
在公式一中，HF(fx,fy)为菲涅尔衍射传递函数；F为傅里叶变换。
步骤202：根据公式二，基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2：
U(x,y)2＝F-1{F{U0(x0,y0)}HJ(fx,fy)} 公式二
在公式二中，HJ(fx,fy)为基尔霍夫衍射传递函数；F为傅里叶变换。
步骤203：根据公式三，基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3：
U(x,y)3＝F-1{F{U0(x0,y0)}HR(fx,fy)} 公式三
在公式三中，HR(fx,fy)为瑞利-索末菲衍射传递函数；F为傅里叶变换。
步骤204：根据公式四，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4：
U(x,y)4＝F-1{F{U0(x0,y0)}HB(fx,fy)} 公式四
在公式四中，HB(fx,fy)为角谱衍射传递函数；F为傅里叶变换。
从上述描述可知，本发明的实施例利用菲涅尔衍射、基尔霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角谱衍射的传递函数算法，对衍射光学元件位相数据的整形输出效果展开模拟计算，其计算方式简单，无需任何光学元器件。
本发明的实施例四公开了上述验证方法中步骤300的具体实施方式，参见图4，所述步骤300具体包括如下内容：
步骤301：对所述U(x,y)1、U(x,y)2、U(x,y)3和U(x,y)4进行一致性检验。
步骤302：若其检验结果在预设阈值范围内，则确定所述衍射光学元件的整形效果准确。
从上述描述可知，本发明的实施例以模拟计算结果的一致性作为整形效果的验证方式，用时短，节约了人力和时间成本。
为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法的应用实例，所述方法具体包括如下内容：
本应用实例在衍射光学元件激光整形效果的验证方法中，利用了菲涅尔衍射、基尔霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角谱衍射的传递函数算法，对衍射光学元件位相数据的整形输出效果展开模拟计算。其衍射计算的参考坐标如图5所示。通过DOE平面上的光波复振幅为U0(x0,y0)，输出面上的光波复振幅为U(x,y)。其中通过DOE平面上的光波复振幅即包含入射光的光波复振幅分布U入射(x0,y0)和计算所得位相数据φDOE，表达式为：
U0(x0,y0)＝U入射(x0,y0)exp(iφDOE) (1)
已知光波复振幅U0(x0,y0)，基于菲涅尔衍射、基尔霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角谱衍射的传递函数算法求解输出光波复振幅U(x,y)。根据各种衍射传递函数算法计算所得结果的一致性，验证衍射光学元件位相数据的整形效果。
一、菲涅尔衍射积分可表示为：
λ是激光波长,k＝2π/λ是波矢，d是输入和输出面的距离。对上式两边作傅里叶变换并利用空域卷积定律等。
F{}为傅里叶变换，设fx和f是频域坐标，菲涅尔衍射传递函数HF(fx,fy)可表示为：
(4)式存在解析解：
因而，输出面的光波复振幅为:
U(x,y)＝F-1{F{U0(x0,y0)}HF(fx,fy)} (5)
二、基尔霍夫衍射积分可表示为：
对上式两边作傅里叶变换并利用空域卷积定律等。
基尔霍夫衍射传递函数HJ(fx,fy)可表示为：
因而，输出面的光波复振幅为:
U(x,y)＝F-1{F{U0(x0,y0)}HJ(fx,fy)} (9)
三、瑞利-索末菲衍射积分可表示为：
对上式两边作傅里叶变换并利用空域卷积定律等
瑞利-索末菲衍射传递函数HR(fx,fy)可表示为：
因而，输出面的光波复振幅为:
U(x,y)＝F-1{F{U0(x0,y0)}HR(fx,fy)} (13)
四、角谱衍射积分做傅里叶变换后的准确解为：
角谱传递函数HB(fx,fy)可表示为：
因而，输出面的光波复振幅为:
U(x,y)＝F-1{F{U0(x0,y0)}HB(fx,fy)} (16)
输出光波复振幅U(x,y)由以上的菲涅尔衍射、基尔霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角谱衍射的传递函数算法计算出后，根据各自计算结果验证衍射光学元件位相数据整形效果是否满足要求。
在一种具体的应用举例中：入射光为原始高斯分布光束，其束腰半径取4.9507mm，波长为532nm。衍射光学元件尺寸为10mm×10mm。聚焦透镜的焦距为10mm，设计理想输出光束为均匀平顶整形光束，其直径为2微米。模拟计算的输出光束如下图6和图7所示：
根据输入和输出光束，计算所得的衍射光学元件的位相数据如下图8所示：
此位相数据的整形效果利用菲涅尔衍射传递函数算法计算的输出结果如图9和图10所示、基尔霍夫衍射传递函数算法计算的输出结果如图11和图12所示、瑞利-索末菲衍射传递函数算法计算的输出结果如图13和图14所示、和角谱衍射的传递函数算法计算的输出结果如图15和图16所示。从图9至图16中可以看出，以上算法模拟计算所得的整形输出结果均一致，具有平顶的分布特性，满足设计要求。
本发明的实施例五公开了一种衍射光学元件激光整形效果的验证系统的具体实施方式，参见图17，所述验证系统具体包括如下内容：
位相数据获取模块10，用于获取衍射光学元件的位相数据。
光波复振幅值获取模块20，用于根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值。
一致性检验模块30，用于对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
从上述描述可知，本发明的实施例需在计算机上模拟计算，即可对衍射光学元件的整形效果进行验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法，其特征在于，所述方法包括：
获取衍射光学元件的位相数据；
根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；
以及，对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多重衍射传递函数包括：菲涅尔衍射传递函数、基尔霍夫衍射传递函数、瑞利-索末菲衍射传递函数和角谱衍射传递函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取衍射光学元件的位相数据，包括：
获取所述衍射光学元件的位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布；
根据所述位相数据φDOE及入射光的光波复振幅分布U入射(x0,y0)，确定通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值，包括：
根据所述通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U0(x0,y0)，分别基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1、基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，以及，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1，包括：
根据公式一，基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1：
U(x,y)1＝F-1{F{U0(x0,y0)}HF(fx,fy)} 公式一
在公式一中，HF(fx,fy)为菲涅尔衍射传递函数；F为傅里叶变换。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2，包括：
根据公式二，基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2：
U(x,y)2＝F-1{F{U0(x0,y0)}HJ(fx,fy)} 公式二
在公式二中，HJ(fx,fy)为基尔霍夫衍射传递函数；F为傅里叶变换。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，包括：
根据公式三，基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3：
U(x,y)3＝F-1{F{U0(x0,y0)}HR(fx,fy)} 公式三
在公式三中，HR(fx,fy)为瑞利-索末菲衍射传递函数；F为傅里叶变换。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4，包括：
根据公式四，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4：
U(x,y)4＝F-1{F{U0(x0,y0)}HB(fx,fy)} 公式四
在公式四中，HB(fx,fy)为角谱衍射传递函数；F为傅里叶变换。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据验证结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性，包括：
对所述U(x,y)1、U(x,y)2、U(x,y)3和U(x,y)4进行一致性检验；
若其检验结果在预设阈值范围内，则确定所述衍射光学元件的整形效果准确。
10.一种衍射光学元件激光整形效果的验证系统，其特征在于，所述方法包括：
位相数据获取模块，用于获取衍射光学元件的位相数据；
光波复振幅值获取模块，用于根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；
一致性检验模块，用于对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。
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