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
为了优化对大口径激光探测组件灵敏度、角度参数等特性的测量能力, 减小因高斯光束光强分布中间强、边缘弱的特点造成的测量值差异, 基于小口径非球面镜组光束整形及高倍率扩束技术, 设计了大口径均匀激光光束产生装置,提出了基于光强分布、非球面镜非球面度、光线光程差的综合优化整形方法。 结果表明, 设计的开普勒型非球面整形镜组非球面度小于20 μm, 工作束宽5 mm, 输出平顶光束均匀性为92.8%; 设计的40×高质量扩束系统, 与非球面镜组相匹配可实现2 m距离内150 mm口径均匀光束, 可获得优于94.2%的150 mm大口径均匀光束输出。该研究对激光测量与标定系统的工程化设计是有帮助的。
激光技术 平顶光束 大口径光束整形 均匀性 非球面镜组 laser technique flat-top beam large-aperture beam shaping energy uniformity aspheric lens
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。
激光光学 DOE设计 修正GS算法 平顶光束整形 激光加工
1 苏州科技大学 物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
2 苏州大学 物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006
传统4f相位相干成像测量技术中，利用相位物体使测量材料产生的相位变化转换为可直接观察的振幅变化，实现材料光学非线性折射率的测量。然而相位物体的厚度是固定不变的，相位延迟会随激光波长的改变而改变，测量中需要更换合适的相位物体。理论分析了不同激光波长对相位物体相移大小的影响，详细讨论了不同形状光束下相位物体的半径和相移的大小对4f相位相干成像系统灵敏度的影响。利用了迈克尔逊干涉仪中两束光的相位延迟替代传统相位物体的功能，实现了一种相位可调的相位物体。因为迈克尔逊干涉仪两束光的相位延迟连续可调，使得在不同形状光束及不同波长激光下的测量灵敏度达到最优。该方法进一步完善了4f相位相干成像测量技术，不仅解决了传统相位物体的不足，而且提高了系统测量的精度。
迈克尔逊干涉仪 相位物体 激光 折射率 近平顶光束 Michelson interferometer phase object laser refractive index near top-hat beams 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220396
华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
光纤激光器被广泛应用于工业加工、****等领域，其输出的激光能量分布往往呈类高斯型分布，这种光斑直径内的非均匀能量分布在应用于光刻、焊接等方面时往往会影响光斑内沿光斑直径不同位置处加工效果的一致性。因此在实际应用中，对类高斯光束进行匀化整形具有重大意义。相对于传统空间结构的光束整形方法，全光纤结构的光束整形对光纤激光器来说具有结构简单、紧凑型好等优点。通过对历年来各学者研究进展的总结，将全光纤结构的匀化整形技术归类为增加输出激光中的高阶模成分和直接改变基模的能量分布两类，并从这两种方法详细阐述了全光纤结构光束匀化整形技术的研究现状，并展望了全光纤结构光束整形技术的未来发展方向。
光纤光学 光束整形 平顶光束 光纤激光器 激光与光电子学进展
2022, 59(15): 1516021
运城学院物理与电子工程系, 山西 运城 044000
采用数值方法, 对平顶高斯光束在自由空间、单透镜系统和复杂光学系统中的传输特性进行了研究。结果表明: 平顶高斯光束在自由空间中传输时, 首先会产生凹陷, 形成两侧峰结构, 随后两侧峰会逐渐融合为单峰的类高斯结构, 并在相当长的距离内保持类高斯分布传输; 在单透镜系统中, 由于透镜的聚焦作用, 平顶高斯光束会在焦点处表现出强聚焦效应, 而随着传输距离的继续加大, 光束会再次恢复平顶分布; 在光阑和透镜组成的复杂光学系统中, 由于光阑的限制, 平顶分布遭到破坏, 在透镜焦点之后无法再恢复平顶分布, 说明在平顶光束光路中应当尽量避免光阑元件的干扰。
波动光学 平顶光束 平顶高斯光束 透镜系统 复杂光学系统 wave optics flat-top beams flattened Gaussian beams lens system complex optical system
哈尔滨理工大学, 黑龙江省量子调控重点实验室, 大珩协同创新中心, 黑龙江 哈尔滨 150080
由于能够提供独特的光-物质交互界面, 携带净轨道角动量的各类涡旋光束成为光场调控研究的热点问题。随着相关研究的不断深入, 光镊以及非线性光学领域都特别需要一种具有均一空间强度分布且无曲率相位梯度的 “完美平顶涡旋" 光束。针对这一问题, 从理论出发基于超高斯模型提出 “完美平顶涡旋" 的复振幅计算全息产生技术, 并利用相位型空间光调制器构成的数字傅里叶变换系统实验论证了 “完美平顶涡旋" 在焦场区域的可控产生与调控, 重点阐述了在给定孔径限制条件下获取光滑涡旋奇点的强度控制原理及方法。
傅里叶光学 轨道角动量 涡旋光束 平顶光束 计算全息 Fourier optics orbital angular momentum vortex beams flattop beams computed hologram
1 西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 西安高斯激光科技有限公司, 陕西 西安 710032
为了大功率激光设备工作时, 减小高斯光束束腰半径外低能量所产生的边缘效应, 避免出现毛边、搭接痕迹明显等问题, 需要对它进行光束整形设计。针对大功率激光光源特性(输出平均光功率为500 W, 脉冲宽度为130~160 ns, 重复频率为20~50 kHz, 波长为1 064 nm, 功率调节范围为10%~100%), 为了减小系统的复杂性, 提高激光能量的利用率, 采用伽利略式非球面透镜整形系统进行参数优化; 选取平顶洛伦兹模型为物理模型, 根据能量守恒定律求得入射光与出射光之间的映射关系; 采用光学软件对系统的结构参数和非球面系数进行优化。计算平顶光束在出射距离20,30 mm时的输出能量均匀度。结果表明: 系统的工作焦深在20～30 mm时, 平顶区激光能量均匀度均大于78.0%。以锈蚀的低碳钢板为作用目标进行了激光清洗实验, 光斑作用区域内, 激光与物质相互作用均匀, 证明本设计能满足大功率激光使用环境的要求。
大功率激光 光束整形 平顶洛伦兹模型 平顶光束 high-power laser beam shaping flat-top Lorentz model flat-top beam 光学 精密工程
2020, 28(10): 2129
1 四川师范大学物理与电子工程学院, 四川 成都 610101
2 四川大学物理科学与技术学院, 四川 成都 610064
研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。
物理光学 大气光学 热晕效应 列阵平顶光束 相干合成 非相干合成
