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摘要闡述了對激光器輸出光束進(jìn)行空間整形的必要性。介紹了目前常用的一些典型的光束整形方法和器件，并分析了各種方法的優(yōu)點和缺點。
關(guān)鍵詞：光束整形，高斯光束，均勻化，強(qiáng)度分布

1 引言
在激光技術(shù)的許多應(yīng)用領(lǐng)域中，光束質(zhì)量至關(guān)重要。激光材料加工，光學(xué)信息處理、存儲和記錄，激光的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用等領(lǐng)域都對光束質(zhì)量有較高的要求。在非線性光學(xué)的頻率變換技術(shù)中，要求抽運激光束強(qiáng)度均勻；在高功率固體激光器和放大器中，輸入光束的不均勻性會導(dǎo)致非線性效應(yīng)，使輸出光束質(zhì)量變壞，甚至損壞激光工作物質(zhì)。激光光束質(zhì)量不僅影響激光器的整體性能，也極大地影響激光技術(shù)的應(yīng)用水平。通常激光器發(fā)出的激光束的空間強(qiáng)度分布呈高斯分布，即高斯激光束。在很多應(yīng)用中希望激光束是均勻分布。

2 幾種典型的光束整形技術(shù)
2.1 二元光學(xué)元件
近年來，使用二元光學(xué)元件（BOE）進(jìn)行激光束空間域整形的技術(shù)發(fā)展很快[1]，并在實際應(yīng)用中取得了很大的成績。該技術(shù)成功地將橢圓高斯光束變換為均勻圓光束，將半導(dǎo)體激光器的橢圓像散光束準(zhǔn)直成整圓并消像散。該方法建立在衍射理論和惠更斯-菲涅耳衍射積分公式基礎(chǔ)上，由光學(xué)和計算機(jī)技術(shù)及精細(xì)微加工、微電子技術(shù)和光刻技術(shù)相互交叉而成。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)要求輸出的光束結(jié)構(gòu)確定整形器件的復(fù)振幅反射率或復(fù)振幅透過率調(diào)制函數(shù)，進(jìn)行材料選擇，確定三維結(jié)構(gòu)，用計算機(jī)進(jìn)行微圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用光刻技術(shù)及微精細(xì)加工制造出二元光學(xué)器件。

復(fù)振幅反射率分布函數(shù)、透射率分布函數(shù)的設(shè)計可用計算機(jī)來進(jìn)行[2]。模擬計算可使用典型的計算機(jī)程序進(jìn)行，也可以由具體的整形要求即根據(jù)目標(biāo)光波場函數(shù)，應(yīng)用一定的方法，自行編制程序進(jìn)行迭代模擬計算。常用的數(shù)值模擬方法[3]有：“FOX- Li 迭代法”、“強(qiáng)度恢復(fù)法”、“快速漢克爾變換法”、“GS 算法”、“YG 算法”（楊一顧相位恢復(fù)算法）等。

使用計算機(jī)數(shù)值模擬的方法已能較快、較好地完成整形器件復(fù)振幅透過率（或反射率）分布函數(shù)的確定，但在器件的生產(chǎn)制造上目前還受一些加工技術(shù)條件的限制，如位相片的厚度及器件邊緣結(jié)構(gòu)的量化控制。目前二元光學(xué)元件的激光損傷閾值較低，在強(qiáng)激光系統(tǒng)的應(yīng)用上還有困難。但是它具有衍射效率高、光斑輪廓可調(diào)的特點，并能實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等功能，因此在光束整形方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 光楔列陣（SWA）聚焦光學(xué)系統(tǒng)
利用列陣光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)均勻輻照的基本思路是：由列陣將入射激光分割成若干個子束，然后讓這些子束在靶面上重疊起來，光束的分割和子束的疊加消除了入射激光光強(qiáng)分布不均勻性的影響，實現(xiàn)了對靶面的均勻輻照[4]。SWA 線聚焦光學(xué)系統(tǒng)由焦距為f 的柱透鏡CL 和光楔列陣SWA 組成，利用圖1 所示SWA 系統(tǒng)可得到長度l 為厘米量級以及沿焦線方向的一維光強(qiáng)均勻分布。


使用由兩個正交SWA 和一個焦距為f 的透鏡L組成的光學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)二維焦斑均勻輻照，焦斑寬度的變化范圍可在數(shù)百微米至數(shù)毫米內(nèi)。與衍射光學(xué)元件比較，SWA 加工工藝簡單，做成大口徑、高抗光損閾值的器件沒有材料和設(shè)備上的困難，是一類較為簡單、實用的實現(xiàn)強(qiáng)激光靶面均勻輻照的光學(xué)器件。

2.3 液晶空間光調(diào)制器
它是以電寫入液晶空間光調(diào)制器為核心，結(jié)合濾波、CCD 采集、監(jiān)視器及計算機(jī)組成的實時、可調(diào)控的激光光束空間整形系統(tǒng)[5]。其一般結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它由兩偏振片夾一液晶顯示層構(gòu)成?，F(xiàn)在zui通行的電尋址液晶空間光調(diào)制器是薄膜晶體管透射陣列式液晶電視，這種電尋址液晶空間光調(diào)制器能方便地與計算機(jī)接口，在設(shè)定的光學(xué)調(diào)制模式下，實現(xiàn)相應(yīng)的單元像素的振幅或相位的調(diào)制。


液晶空間光調(diào)制器主要是通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實現(xiàn)對入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制，即其光學(xué)調(diào)制特性主要是旋光偏振性和雙折射性。通過設(shè)置不同的偏振片的相對偏振方位，改變加在液晶像素上的電壓，可獲得相應(yīng)液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制模式與調(diào)制特性曲線。擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，可使液晶電視的振幅投透射率變化范圍大，而其相位調(diào)制小，近似為液晶電視處于振幅調(diào)制模式。因此可在振幅模式下，實時顯示軟邊切趾光闌，而不會對波前帶來大的畸變影響。確定軟邊切趾光闌透射率函數(shù)的方法是：首先在無光闌情況下，由CCD采集入射光束的光強(qiáng)分布。其次，設(shè)定對入射光束切趾后獲得的超高斯光束，采用數(shù)值圖像處理技術(shù)，可確定切趾軟邊光闌的透射率函數(shù)分布。zui后，由計算機(jī)存儲的軟邊光闌數(shù)據(jù)，根據(jù)液晶電視的調(diào)制特性曲線，便可將切趾軟邊光闌實時顯示于液晶電視上，選擇適當(dāng)大小的濾波小孔，濾掉高頻調(diào)制的空間頻率分量，便可在輸出面上采集到整形光束的光強(qiáng)分布。

理論和實驗研究表明，采用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光束的實時、可調(diào)控光束空間整形的新方法，可方便地獲得所需形狀（如方形、圓形等幾何形狀）的近“平頂”光強(qiáng)分布的近場光束，在高功率激光系統(tǒng)前級的光束空間整形中具有重要的應(yīng)用前景。

2.4 雙折射透鏡組
zui近，美國勞倫斯里弗莫爾國家實驗室使用了一種新型的空間光束整形系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩對石英雙折射透鏡實現(xiàn)了激光束的空間整形[6]。如圖3所示，

                            
統(tǒng)由兩對雙折射晶體透鏡L1，L2，L3，L4 和一個檢偏器P組成，晶體的主軸方向垂直于系統(tǒng)的光軸方向，透鏡L1，L4是兩個*相同的平凸透鏡，對于偏振光透鏡中心相當(dāng)于l/2 波片，距透鏡中心r0的邊緣處相當(dāng)于l/4波片，兩鏡對稱排列。L2，L3是兩個*相同的平凹透鏡，透鏡中心相當(dāng)于l/4 波片，距透鏡中心r0 的邊緣處相當(dāng)于l/2 波片，兩鏡對稱放置，讓透鏡L1，L4的主軸平行并保持不動，透鏡L2，L3的主軸平行并作為一個整體可以繞系統(tǒng)的光軸旋轉(zhuǎn)至任意角度。從前級激光放大器或振蕩器中輸出的線偏振光入射到該系統(tǒng)后，光束的偏振狀態(tài)發(fā)生了改變，調(diào)節(jié)透鏡對L2，L3 的主軸與透鏡對L1，L4 主軸的夾角，入射到檢偏器上的光束在不同的位置有不同的偏振態(tài)，經(jīng)檢偏器后得出射光可以被整形為中心部分平頂?shù)墓鈴?qiáng)較均勻的線偏振光。使用雙折射元件組進(jìn)行光束的空間整形的方法靈活方便，尤其適合于線偏振的高斯光束的整形。其zui大優(yōu)點是可隨著光束參數(shù)的變化靈活改變其透射率函數(shù)，而不像其他方法僅針對特定的光束參數(shù)而設(shè)計。

2.5 隨機(jī)位相板
隨機(jī)位相板（RPP）是由許多按列陣形式排列的小位相單元組成，每個小位相單元隨機(jī)地被選擇對入射的激光光束引入0 或π相位延遲，隨機(jī)位相板上的列陣位相單元把入射光束波面分割為許多大小相同的子光束，經(jīng)透鏡聚焦在同一靶面上（焦平面上）,靶面上光強(qiáng)分布由各個子波束的衍射圖樣隨機(jī)疊加確定，從而達(dá)到平滑靶面的目的[7]。位相板位相單元的形狀確定了透鏡焦面焦斑的形狀，位相板位相單元的大小確定了焦面焦斑的大小，通過改變位相單元的形狀或大小，可以達(dá)到控制透鏡焦面焦斑形狀和大小的目的。

隨機(jī)位相板法具有對靶面焦斑形狀和大小易于控制、制作簡單及容易使用等優(yōu)點。但是，由于位相板列陣單元分割出的各子光束同樣是相干的，透鏡焦平面上光強(qiáng)分布實際是隨機(jī)位相板上的單個小位相單元衍射光強(qiáng)分布受到各個小位相單元衍射光束之間相互干涉所調(diào)制的結(jié)果，靶面上不可避
免地存在干涉散斑。

3 幾種典型的光束整形方法的評價
 

4 總結(jié)和展望
各種改進(jìn)型加密系統(tǒng)在性能上有所提高，密鑰的構(gòu)成趨向多元化。但是這些系統(tǒng)一般沒有綜合考慮各個因素（密鑰級別、系統(tǒng)簡化、抗噪性能等），往往是提高了一方面的指標(biāo)卻降低了另外一方面的性能。例如，QPS級聯(lián)加密系統(tǒng)，雖然密鑰級別提高了，但是加密系統(tǒng)卻復(fù)雜了。另外，幾乎所有的加密系統(tǒng)都是采用平行光照射，沒有充分利用照射光的固有特性來為加密服務(wù)，雖然利用照射光的波長和偏振態(tài)進(jìn)行圖像加密已有報道[6，8]，但是利用照射光的相位因子進(jìn)行圖像加密的還未曾報道。因此這一領(lǐng)域的發(fā)展空間很大，理論和實驗研究有待進(jìn)一步深入。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，安全性與速度的矛盾日益突出，利用高速并行的光學(xué)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)圖像加密必將會成為人們的研究熱點。

5 結(jié)束語
迄今已經(jīng)發(fā)展了多種激光束空間整形技術(shù)，有些技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到固體激光器和氣體激光器的光束整形中，輸出光束質(zhì)量較以前有很大提高。其中，二元光學(xué)元件以其強(qiáng)大的功能，在光束空間整形上將有著廣泛的應(yīng)用前景。如何得到能量利用率高、均勻化程度好的光束將是空間整形技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。目前，激光束空間整形的研究繼續(xù)向縱深發(fā)展，隨著計算機(jī)模擬、設(shè)計手段進(jìn)一步完善，將會出現(xiàn)更有效的空間整形技術(shù)和器件。


參考文獻(xiàn)
1 毛文煒，傅振海. 實現(xiàn)靈活光束轉(zhuǎn)換的二元光學(xué)器件及其應(yīng)用. 中國激光，1997，A24（4）：289~292
2 趙為黨，楊李茗，虞淑環(huán). 激光光束整形的設(shè)計和研究. 紅外與激光工程，1999，28（1）：29~32
3 黃騮，張少軍，李延廷. 激光光束的空間整形理論基礎(chǔ)及發(fā)展展望. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，28（2）：203~206
4 呂百達(dá)，蔡邦維，張彬. 強(qiáng)激光的空間整形和靶面均勻輻照技術(shù). 紅外與激光工程，1999，28（1）：25~28
5 陳懷新，隋展，陳禎培. 采用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束的空間整形. 光學(xué)學(xué)報，2001，21（9）：1101~1111
6 葉一東，呂百達(dá)，蔡邦維. 強(qiáng)激光的時間整形和空間整形———利用雙折射透鏡組實現(xiàn)激光束的空間整形.激光技術(shù)，1996，20（6）：324~328
 

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