华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
激光增材制造可实现高性能金属复杂构件整体化成形，在航空航天、汽车、医疗等领域具有广阔应用前景。但是，高斯激光作用产生不均匀温度场、极高的温度梯度以及不稳定的流场，导致飞溅、球化、气孔、残余应力和裂纹等缺陷及各向异性的微观性能，影响了该技术更广泛的应用。光束矫形和场辅助原位调控激光增材制造过程是控制缺陷产生的有效方法。综述了国内外在光束矫形以及热、磁和超声多场调控金属激光增材制造领域的研究进展，重点揭示外场-激光-材料-组织-性能间的作用机理，并对多场调控金属激光增材制造未来发展进行了展望，可为金属激光增材制造的高性能调控提供有益参考。
激光技术 激光增材制造 光束矫形 磁场 热场 超声场 中国激光
2024, 51(10): 1002306
中国船舶集团有限公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027
针对高能激光器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差现象，提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先，通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差的表达式，该XY离焦像差系数的大小可直接表征X离焦和Y离焦的波前PV值。同时，通过微调高能激光器中二维整形光路中的镜子间距，可实现激光器输出光束XY离焦波面的补偿。因此，首先利用哈特曼波前传感器提取出光束的XY离焦像差系数大小，而后再根据XY离焦像差系数的大小实时闭环微调二维整形光路中的镜子间距，从而实现XY离焦像差的校正，改善输出光束的光束质量。实验结果表明，该方法可有效地将高能激光器输出光束XY离焦量的PV值由5.2 μm和1.1 μm校正到0.5 μm以下，相应的光束质量β因子由3.1降到1.8，光束质量得到明显改善。
高能激光 光束质量 像差校正 光束整形 矩阵光学 high energy laser beam quality aberration correction beam shaping matrix optics
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
针对具有圆对称结构特征的光束，提出了一种基于高阶准离散汉克尔变换的光束整形算法。与传统Gerchberg-Saxton算法相比，相同条件下，该算法能够在较少的迭代次数内实现快速收敛，并大幅节省计算时间（约100倍），利用该算法设计的衍射光学元件呈圆对称分布，结构简单、更易于加工；此外，设计实验对目标光束整形，验证了该算法的可行性，实验结果光强分布较好，为衍射光学元件的设计和加工提供了重要的指导意义。
物理光学 汉克尔变换 光束整形算法 Gerchberg-Saxton算法 衍射光学元件
朱泉锦 1,2,3,4马浩统 1,2,3,4陈炳旭 1,2,3邢英琪 1,2,3[ ... ]谭毅 1,2,3,4
1 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
4 中国科学院大学，北京 100049
双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控，然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现，传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时，存在设计不精准、整形效果差等缺陷，为此，提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果，表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例，虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。
高斯光束整形 虚拟面迭代法 自由曲面 不重合度 辐照度均匀度 能量利用率 gaussian beam shaping virtual surface iteration method free-from surface misalignment irradiance uniformity energy efficiency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230587
1 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
2 中国科学院微电子研究所光电技术研发中心，北京 100094
3 北京积水潭医院，北京 100035
激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，需要通过光束整形来提高均匀性，以满足应用的需求。从光学系统的特性出发，总结归纳了当前主要的三种激光光束整形技术，包括光阑法、场映射器法和多孔径光束聚焦法，分别介绍了三种激光光束整形技术的基本原理、应用范围和主要实现方法，阐述了不同激光光束整形方法的典型应用和研究进展，最后，综合讨论了激光光束整形技术目前所面临的问题及未来的发展方向。本综述对激光光束整形技术的研究具有一定的参考意义。
光束整形 光阑 场映射器 多孔径光束聚焦 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500005
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
激光技术发展迅速，在医疗、生物、**和材料等领域应用广泛，但激光光强的高斯型分布限制了激光的进一步应用。平顶光束整形技术应运而生并受到广泛关注。针对该问题，提出了基于末位淘汰制（LPE）、Gerchberg-Saxton（GS）算法和遗传算法（GA）的LPE-GSGA算法，优化空间光调制器的相位分布函数，将高斯光束整形为平顶光束。仿真结果表明，LPE-GSGA算法输出光束指标优于GS、广义自适应加性（GAA）、加权GS（GSW）和GSGA算法。与GS算法比较，LPE-GSGA算法的误差平方和（SSE）指标降低10.1%、拟合系数η提升0.85%，对相位初值的依赖程度约降低1个数量级，输出光束顶部光强突变点更少、旁瓣减少且幅度更低。LPE-GSGA算法减少了对初值的依赖程度，使高能量利用率、高光束顶部均匀度的平顶光束整形成为可能。
激光光学 光束整形 平顶光束 LPE-GSGA算法
中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
采用一对圆锥镜作为整形器来产生准直平行的空心光束，并根据能量守恒定律得到了整形后空心光束的光强表达式，然后基于菲涅耳衍射积分公式仿真了该空心光束在自由空间不同传播距离处的衍射光斑及截面光强分布图，并计算得到了光束质量因子随截断直径与高斯光束半径的比值和遮拦比变化的关系曲线，为实际获得良好光束质量和整形器的设计提供依据。其次，对该系统进行了锥顶角一致性、偏心及倾斜误差对波面误差的影响分析，结果表明，对于同样大小的误差，设计锥顶角较大时得到的整形光束的波面误差较小，有利于增加加工和装调的容差范围，且装调中的偏心误差和倾斜误差具有一定的等效性，通过调整装调过程中的偏心方向和大小，可以在一定程度上抵消倾斜误差的影响，实现综合误差的互相抵消，为实际应用中的圆锥镜组整形器加工和装调提供有益参考。最后，对整形出的空心光束进行近、远场测量，结果表明实际所得到的光束质量因子符合理论计算结果。
光学设计 高斯光束 空心光束 圆锥镜 光束整形 衍射传输 误差分析
Author Affiliations
Abstract
1 Sun Yat-sen University, School of Electronics and Information Technology, State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, Guangzhou, China
2 École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Photonic Systems Laboratory, Lausanne, Switzerland
Shaping the light beam is always essential for laser technology and its applications. Among the shaping technologies, shaping the laser in its Fourier domain is a widely used and effective method, such as a pulse shaper, or a 4f system with a phase mask or an iris in between. Orbital angular momentum (OAM) modes spectrum, the Fourier transform of the light field in azimuth, provides a perspective for shaping the light. Here, we propose and experimentally demonstrate a shaping strategy for the azimuthal field by modulating the complex amplitude of the OAM mode spectrum. The scheme utilizes multi-plane light conversion technology and consists only of a spatial light modulator and a mirror. Multiple functions, including beam rotating, beam splitting/combining in azimuth, and OAM mode filtering, are demonstrated. Our work provides a compact and programmable solution for modulating the OAM mode spectrum and shaping beams in azimuth.
orbital angular momentum laser beam shaping multiplane light conversion structured light Advanced Photonics Nexus
2024, 3(2): 026001
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Applied Physics, College of Mathematics and Physics, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
2 School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
3 Chengdu Development Center of Science and Technology of CAEP, Chengdu 610299, China
Aiming for suppressing side-mode and spectrum broadening, a slit beam-shaping method and super-Gaussian apodization processing for femtosecond laser point-by-point (PbP) inscription technology of fiber Bragg gratings (FBGs) are reported here. High-quality FBGs, featuring narrow bandwidth of less than 0.3 nm, high reflectivity above 85%, low insertion loss (0.21 dB), and low cladding loss (0.82 dB), were obtained successfully. By a semi-automatic PbP inscription process, an array consisting of six FBGs, exhibiting almost no side-mode peaks with high suppression ability and narrow bandwidth, was fabricated along three independently developed single-mode fibers with an interval of 20 mm.
femtosecond laser processing fiber Bragg grating slit beam shaping Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 010501
1 北京理工大学光电学院北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
2 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
3 北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京 100081
4 北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造实验室，北京 100081
超表面的设计与制造极大地推动了在片上紧凑光学系统中实现光场调控的应用。传统光学系统中的光学透镜、空间光调制器以及偏振光学元件虽具备光场调控的功能，但体积庞大、光场调控功能单一等因素限制了其应用。超表面为光场调控提供了新平台，有望解决传统光学元件和系统向微型化、集成化和多功能化发展的瓶颈。主要围绕超表面的多维度全息混合复用、二维/三维光场变换、矢量光场的产生与操控三方面进行介绍。最后，对超表面的未来发展趋势进行了展望。
超表面 多维度光场调控 全息成像 光束整形
