[发明专利]一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件设计技术领域，具体涉及一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统。

背景技术

衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)，是一种基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并通过大规模和超大规模集成电路制作工艺，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶的浮雕结构，形成同轴再现并具有极高衍射效率的一类光学器件。衍射光学元件除了具有体积小、重量轻、容易复制等显而易见的优点外，还具有许多传统的光学元件所不具备的优点，例如高衍射效率、独特的色散特性、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等。目前，衍射光学元件已经被广泛应用到激光束整形中，实现将原始激光束整形为满足实际应用需求的具有特定光强分布的光束。

利用衍射光学元件实现激光束整形的主要研究在于设计方法上，也即根据实际的光束输入和理想的光束输出，如何来求解衍射光学元件表面的位相分布。基于各种优化算法计算所得的位相数据，需要知道其对入射光的整形效果，以此决定此位相数据是否可行。而判断其整形效果的验证方法通常是借助于液晶纯相位空间光调制器，通过搭建检测光路，在实验台面上开展整形效果的测试实验，从而观察此位相数据对输入光束的整形效果是否与设计要求的理想输出光束相一致。

现有的衍射光学元件整形效果的验证方法，通常是借助于空间光调制器来完成。首先需要搭建检测光路，将计算所得的位相数据输入空间光调制器，检测出射光束的整形效果，以此来判断此位相数据是否能使整形后光束与设计要求的理想输出光束相一致。此种整形效果的验证方法所需元器件较多，方式较为复杂，耗时较长。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法及系统，实现了对衍射光学元件的整形效果的快速及准确的验证，其方式简单，无需任何光学元器件，且用时短，节约了人力和时间成本。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种衍射光学元件激光整形效果的验证方法，所述方法包括：

获取衍射光学元件的位相数据；

根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值；

以及，对多个所述光波复振幅值进行一致性检验，并根据检验结果确定所述衍射光学元件的整形效果的准确性。

进一步的，所述多重衍射传递函数包括：菲涅尔衍射传递函数、基尔霍夫衍射传递函数、瑞利-索末菲衍射传递函数和角谱衍射传递函数。

进一步的，所述获取衍射光学元件的位相数据，包括：

获取所述衍射光学元件的位相数据φ_DOE及入射光的光波复振幅分布；

根据所述位相数据φ_DOE及入射光的光波复振幅分布U_入射(x₀,y₀)，确定通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U₀(x₀,y₀)。

进一步的，所述根据多重衍射传递函数对所述位相数据进行模拟计算，得到多个所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值，包括：

根据所述通过衍射光学元件平面上的光波复振幅U₀(x₀,y₀)，分别基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1、基于基尔霍夫衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)3，以及，基于角谱衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)4。

进一步的，所述基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1，包括：

根据公式一，基于菲涅尔衍射传递函数算法求解得到所述衍射光学元件的输出面上的光波复振幅值U(x,y)1：

U(x,y)1＝F^-1{F{U₀(x₀,y₀)}H_F(f_x,f_y)} 公式一

在公式一中，H_F(f_x,f_y)为菲涅尔衍射传递函数；F为傅里叶变换。