[发明专利]一种实现平顶焦点的光束调控方法

权利要求书

1.一种实现平顶焦点的光束调控方法，其特征在于包括以下步骤：

1)调制方法：将入射的圆柱对称性光束作如下调制，即光束波前划分成N个同心圆环带，各环带起始孔径角为θ_i-1和终止孔径角为θ_i，其中，i＝1,2,…,N是环带序数；调制后，第i个环带内矢量光的偏振方向与径向之间的夹角为φ_i，由公式(1)：

其中，E_r,E_z,是柱坐标系下三个正交方向的电场分量；常数A为入射光束的振幅；k＝2π/λ是波数，这里λ是入射光的波长；φ₀为入射矢量光场的偏振方向与径向之间的夹角；θ_max为从焦点处到透镜边缘的最大孔径角；l(θ)描述了入射光束沿径向(r方向)的强度分布，由入射光的模式决定；则焦点处的总光强

焦点附近的场分布按公式(2)计算：

注意θ₀＝0；θ_N由透镜的孔径决定；在入射光束和透镜的孔径给定的条件下，若各环带的起始位置和各环带内的偏振方向取适当的值时，将获得平顶的焦点，即焦平面(z＝0)上|E|²的强度不随r变化；在实际实施上，使入射柱对称光束先后通过两个半波片；考虑将这两个半波片划分成若干环带区域，各环带内他们的快轴具有相同夹角Δ_i＝φ_i/2，i为环带序数；穿过各环带部分的入射光束其偏振态仍具有旋转对称性，其偏振方向与径向之间的夹角正好为φ_i；因此只要控制波带片的环带划分数目、各环带宽度和Δ_i值，实现对入射光束的调制；

2)优化算法：对于N个环，需要对θ₁,θ₂,…,θ_N-1,和φ₁,φ₂,…,φ_N共2N-1个参数需要优化；若将透镜的孔径也作为参数，则需要对θ₁,θ₂,…,θ_N,和φ₁,φ₂,…,φ_N共2N个参数需要优化，约束条件公式(3)为：

数学上这是一个多参数优化问题，为此采用一种基于模拟退化算法和粒子群算法的混合全局优化算法来在约束条件公式(3)下确定各参数，获得尽可能大的平顶焦点。

2.如权利要求1所述一种实现平顶焦点的光束调控方法，其特征在于所述一种基于模拟退化算法和粒子群算法的混合全局优化算法的流程如下：

(1)随机初始化种群，赋予各个粒子一个由θ_i和φ_i值确定的随机初始状态；

(2)构造以焦点平顶范围最大为目标的评价函数f(θ₁,θ₂,…,θ_N,φ₁,φ₂,…,φ_N)，计算每个粒子状态对应的评价函数值f1；保存当前各粒子的状态和相应的评价函数值f1，并记录该种群当前最大的函数值f1和对应的粒子状态；

(3)设温度参数T，给其赋初始温度T＝T₁和马尔科夫链长度；

(4)以保存的f1max及相应的粒子状态为要素，并结合各粒子的当前状态随机出粒子的下个状态，然后重新计算评价函数值f2；

(5)若Δf＝f2-f1>0，则上述粒子状态改变被接受；否则将函数值exp(-Δf/T)与分布在(0,1)区间的一个随机数来比较，若前者小，则接受上述位置改变；否则保留该状态；同时更新种群的当前最优粒子状态及相应的f1max；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，在一个马尔科夫链结束后，保存该马尔科夫链下最大f1max值，并与前三个马尔科夫链下最大f1max值相比较，若在误差允许范围内这些f1max值相等，则视为获得全局最优解；否则进行退温操作从而进入下一个马尔科夫链；

(7)退温过程采取T＝T_k+1＝αT_k，T_k为当前温度，T_k+1为退温后温度，α＝0.9为降温系数；

(8)重复上述过程，直到找到全局最优适应值。