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。

在计算机全息图的计算过程中, 引入的随机相位与光学重建中相干光散射会引起再现像中的散斑噪声现象, 从而影响重建图像的质量。提出了一种新的基于部分相干光相干度分布的全息图计算方法, 即PCL-GS算法, 算法以Shell衍射定理为基础, 模拟参考光源相干度对全息记录过程的影响, 使模拟记录过程更接近实际状况。在重建光相干度相同的情况下, 与传统GS算法重建结果相比, 重建图像的峰值信噪比提升4.8%、结构相似度提升14%、散斑对比度降低4%。方法可为三维全息显示、光束整形等光调制技术提供新的理论基础。

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。

为了消除多级像和零级光的干扰,提出了一种单透镜结构的系统,获得了单一无扰的再现像。 使用Gerchberg-Saxton(GS)算法获得菲涅尔全息图,预先叠加倾斜平面波相位至菲涅尔全息图上,使再 现像移至中央位置。用成像透镜将空间光调制器(SLM)后方的虚像成像至前方,同时在成像透镜后方放置 空间滤波器,滤去多级像和零级光。调整透镜与SLM的位置可方便调整再现像的大小和位置, 缩短了光学系统的长度。利用虚像的方法为基于液晶SLM的计算全息显示提供了新的思路。