基于空间光调制器外光路分束进行并行加工是提高超快激光加工效率的有效方法。高均匀度分束算法是实现外光路分束的关键。在实际光路中，由于光路不完全满足理论条件，经典的GS算法生成的多光束均匀度远低于理论值，不满足阵列化激光加工的要求。基于GS?GA算法的思想与图像处理技术，在程序设计中引入了实时反馈的功能，以达到提高分束均匀度的目的。并采用加载菲涅耳透镜相位的方式分离零级光，避免重建光场离轴带来的畸变。最终实现了均匀度接近94%的分束，并通过加工实验验证了高均匀度分束算法在精密加工中的应用效果。

为了使空间光调制器实时产生大景深的再现像, 运用GS算法计算出不同参数下的全息图。通过计算全息重建算法仿真得到不同傅里叶全息图下的再现像。在无傅里叶变换透镜的情况下, 利用计算机将不同参数下的傅里叶全息图输出到空间光调制器, 通过分析二维实时动态显示的再现像表明, 当傅里叶全息图的采样点数为1 024×768, 采样间隔为18 μm时, 再现像景深为275 cm, 该参数下再现像景深最大; 通过分析不同参数的傅里叶全息图再现像, 实验结果表明相位图像元尺寸越小再现像景深越大, 并且在相同参数下有傅里叶变换透镜时的再现像景深小于无傅里叶变换透镜时的再现像景深。

针对超快激光三维多焦点均匀性不高的问题，本文提出了一种基于反馈加权3D-GS算法的三维多焦点光场重建技术。用CCD相机实时采集多焦点的能量和位置信息，优化全息图，然后将优化后的全息图加载至空间光调制器，得到目标结构的高均匀性三维多焦点光束。利用此方法实现了4个面47个点的“HBUT”三维多焦点结构以及15个面15个点的三维多焦点螺旋结构，前者的多光束均匀性超过了96%，后者的多光束均匀性达到了94%。将传统3D-GS算法与反馈加权3D-GS算法迭代计算得到的上述两种结构的多焦点能量分布结果进行对比，结果显示，反馈加权3D-GS算法能有效提高三维多焦点的焦斑能量分布均匀性。

利用衍射光学元件（DOE）对紫外激光进行相位调制，可在远场衍射获得微米级均匀光斑。该方法的优点为：可灵活设计均匀光斑的形状、尺寸；具有较高的能量损伤阈值，适用于高功率光源。DOE设计的难点在于制备微米级均匀光斑的同时，兼顾陡度、均匀度等参数指标。基于解析法设计DOE生成的均匀光斑过渡区陡度变化缓慢，可有效利用的均匀区域较小，不适合制备小尺寸均匀光斑。此外，基础Gerchberg-Saxton（GS）算法制备微米级平顶光束，整形效果不明显，均匀度无法满足应用要求。将基础GS算法收敛结果作为改进GS算法的初始相位，改进GS算法在频域设置信号区和噪声区，并限制频域振幅分布，在理论上具备可行性。分析了离焦误差影响，并进行了实验验证，发现实验结果与理论结果具有一致性。

针对传统GS算法在计算阵列多光束全息图时, 光束均匀性往往只能达到70%左右, 达不到激光并行微加工领域需求的问题, 提出并实现了基于实时图像反馈的GS改进算法。本文分析了计算傅里叶全息图原理并介绍了GS反馈算法, 将该算法产生的阵列光束图样的相位全息图加载到纯相位液晶空间光调制器上, 在远场成功地再现了期望图样, 且光束均匀性均在91%以上, 证明了算法的有效性。该算法实现了任意尤其是阵列位置多光束的高均匀性, 在并行微加工领域有重要意义。

利用Gerchberg-Saxton算法生成任意的二维光晶格阵列的全息图,并且将全息图加载到液晶型空间光调制器上,然后将850 nm的激光照射到空间光调制器的液晶屏上,利用透镜的傅里叶变换特性,成功地显示或构建任意形状的二维光晶格阵列。将该系统应用到87Rb的冷原子实验中,成功俘获冷原子,这为接下来的单原子多量子位的量子模拟实验奠定了基础。

GS(Gerchberg Saxton)算法具有收敛速度慢、运算精度低和收敛易陷入局部极小值等缺点,其对初值的选择非常敏感。通常情况下,估计的初值越接近真实值,复原效果越好。为了获得更接近于真实值的初始相位,在望远镜的瞳面添加非冗余孔径掩模,对通过掩模形成的干涉图进行处理,获得初始相位,可有效地加快GS算法的收敛速度并提高其运算精度。仿真结果表明所提算法的平均复原精度最少是GS算法的9倍。

由于很多实际应用中需要光斑环形分布, 因此太赫兹高斯光束整形环形光束的研究具有重要的理论和应用价值。文中利用GS算法设计相位板, 将太赫兹波段的高斯光束整形为环形光束。讨论了刻蚀台阶数量对该波段相位板整形结果的影响。对不同传输距离进行了仿真计算, 并在实验中将热释电相机PyrocamⅢ作为实验中的探测器对不同传输距离进行了实验。实验结果表明, 实验结果与仿真计算结果接近。

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束, 其特点是其光强分布为环形, 携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数, 同时不同角量子数的光束之间相互正交, 因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响, 进而产生波前畸变, 因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述, 重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。

针对飞秒激光微加工中能量利用率和加工效率低的问题, 提出一种基于空间光调制器的飞秒并行加工方法。在讨论衍射光栅入射角与衍射角关系的基础上, 分析了叠加多个衍射光栅产生多光束的原理, 运用GS算法对目标多光束进行优化并计算出相应的相位全息图, 将该全息图加载到空间光调制器中获得了多光束。采用脉宽100 fs、波长800 nm的飞秒激光, 进行聚焦PMMA样品内部的并行加工实验, 观察到PMMA上多点组合的“一”和“工”字型, 得到了光束能量均匀的图形。实验结果论证了该方法对于多光束并行加工控制的有效性。