本發(fā)明涉及光學元件設計技術領域，具體涉及一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法及系統。

背景技術：

衍射光學元件(diffractiveopticalelements,doe)，是一種基于光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，并通過大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制作工藝，在片基上刻蝕產生兩個或多個臺階的浮雕結構，形成同軸再現并具有極高衍射效率的一類光學器件。衍射光學元件除了具有體積小、重量輕、容易復制等顯而易見的優(yōu)點外，還具有許多傳統的光學元件所不具備的優(yōu)點，例如高衍射效率、獨特的色散特性、更多的設計自由度、寬廣的材料可選性等。目前，衍射光學元件已經被廣泛應用到激光束整形中，實現將原始激光束整形為滿足實際應用需求的具有特定光強分布的光束。

利用衍射光學元件實現激光束整形的主要研究在于設計方法上，也即根據實際的光束輸入和理想的光束輸出，如何來求解衍射光學元件表面的位相分布。基于各種優(yōu)化算法計算所得的位相數據，需要知道其對入射光的整形效果，以此決定此位相數據是否可行。而判斷其整形效果的驗證方法通常是借助于液晶純相位空間光調制器，通過搭建檢測光路，在實驗臺面上開展整形效果的測試實驗，從而觀察此位相數據對輸入光束的整形效果是否與設計要求的理想輸出光束相一致。

現有的衍射光學元件整形效果的驗證方法，通常是借助于空間光調制器來完成。首先需要搭建檢測光路，將計算所得的位相數據輸入空間光調制器，檢測出射光束的整形效果，以此來判斷此位相數據是否能使整形后光束與設計要求的理想輸出光束相一致。此種整形效果的驗證方法所需元器件較多，方式較為復雜，耗時較長。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明提供一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法及系統，實現了對衍射光學元件的整形效果的快速及準確的驗證，其方式簡單，無需任何光學元器件，且用時短，節(jié)約了人力和時間成本。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供以下技術方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法，所述方法包括：

獲取衍射光學元件的位相數據；

根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值；

以及，對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。

進一步的，所述多重衍射傳遞函數包括：菲涅爾衍射傳遞函數、基爾霍夫衍射傳遞函數、瑞利-索末菲衍射傳遞函數和角譜衍射傳遞函數。

進一步的，所述獲取衍射光學元件的位相數據，包括：

獲取所述衍射光學元件的位相數據φdoe及入射光的光波復振幅分布；

根據所述位相數據φdoe及入射光的光波復振幅分布u入射(x0,y0)，確定通過衍射光學元件平面上的光波復振幅u0(x0,y0)。

進一步的，所述根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值，包括：

根據所述通過衍射光學元件平面上的光波復振幅u0(x0,y0)，分別基于菲涅爾衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)1、基于基爾霍夫衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)3，以及，基于角譜衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)4。

進一步的，所述基于菲涅爾衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)1，包括：

根據公式一，基于菲涅爾衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)1：

u(x,y)1＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hf(fx,fy)}公式一

在公式一中，hf(fx,fy)為菲涅爾衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

進一步的，所述基于基爾霍夫衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)2，包括：

根據公式二，基于基爾霍夫衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)2：

u(x,y)2＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hj(fx,fy)}公式二

在公式二中，hj(fx,fy)為基爾霍夫衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

進一步的，所述基于瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)3，包括：

根據公式三，基于瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)3：

u(x,y)3＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hr(fx,fy)}公式三

在公式三中，hr(fx,fy)為瑞利-索末菲衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

進一步的，所述基于角譜衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)4，包括：

根據公式四，基于角譜衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)4：

u(x,y)4＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hb(fx,fy)}公式四

在公式四中，hb(fx,fy)為角譜衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

進一步的，所述對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據驗證結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性，包括：

對所述u(x,y)1、u(x,y)2、u(x,y)3和u(x,y)4進行一致性檢驗；

若其檢驗結果在預設閾值范圍內，則確定所述衍射光學元件的整形效果準確。

另一方面，本發(fā)明還提供一種衍射光學元件激光整形效果的驗證系統，所述方法包括：

位相數據獲取模塊，用于獲取衍射光學元件的位相數據；

光波復振幅值獲取模塊，用于根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值；

一致性檢驗模塊，用于對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。

由上述技術方案可知，本發(fā)明所述的一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法及系統，其中的方法包括獲取衍射光學元件的位相數據；根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值；以及，對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。本發(fā)明實現了對衍射光學元件的整形效果的快速及準確的驗證，其方式簡單，無需任何光學元器件，且用時短，節(jié)約了人力和時間成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法的流程示意圖。

圖2是本發(fā)明的驗證方法中步驟100的關系示意圖。

圖3是本發(fā)明的驗證方法中步驟200的流程示意圖。

圖4是本發(fā)明的驗證方法中步驟300的流程示意圖。

圖5是本發(fā)明的應用實例中的衍射計算的參考坐標的示意圖。

圖6是本發(fā)明的應用實例中位相設計時模擬計算的輸出光束分布的三維圖。

圖7是本發(fā)明的應用實例中的位相設計時模擬計算的輸出光束分布的截面圖。

圖8是本發(fā)明的應用實例中的計算所得的衍射光學元件位相數據。

圖9是本發(fā)明的應用實例中的菲涅爾衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的三維圖。

圖10是本發(fā)明的應用實例中的菲涅爾衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的截面圖。

圖11是本發(fā)明的應用實例中的基爾霍夫衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的三維圖。

圖12是本發(fā)明的應用實例中的基爾霍夫衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的截面圖。

圖13是本發(fā)明的應用實例中的瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的三維圖。

圖14是本發(fā)明的應用實例中的瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的截面圖。

圖15是本發(fā)明的應用實例中的角譜衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的三維圖。

圖16是本發(fā)明的應用實例中的角譜衍射傳遞函數算法計算的輸出光束分布的截面圖。

圖17是本發(fā)明的一種衍射光學元件激光整形效果的驗證系統的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的實施例一公開了一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法的具體實施方式，參見圖1，所述方法具體包括如下內容：

步驟100：獲取衍射光學元件的位相數據。

在步驟100中，利用衍射光學元件實現激光束整形的主要研究在于設計方法上，也即根據實際的光束輸入和理想的光束輸出，如何來求解衍射光學元件表面的位相分布?；诟鞣N優(yōu)化算法計算所得的位相數據，需要知道其對入射光的整形效果，以此決定此位相數據是否可行，因此需要先獲取前期經過計算后得出的衍射光學元件的位相數據。

步驟200：根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值。

在步驟200中，所述多重衍射傳遞函數包括：菲涅爾衍射傳遞函數、基爾霍夫衍射傳遞函數、瑞利-索末菲衍射傳遞函數和角譜衍射傳遞函數；基于模擬計算驗證的方式，利用菲涅爾衍射、基爾霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角譜衍射的傳遞函數算法，對衍射光學元件位相數據的整形輸出效果展開模擬計算。

步驟300：對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。

在步驟300中，以模擬計算結果的一致性作為整形效果的驗證方式，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。

從上述描述可知，本發(fā)明的實施例需在計算機上模擬計算，即可對衍射光學元件的整形效果進行驗證，其方式簡單，無需任何光學元器件，且用時短，節(jié)約了人力和時間成本。

本發(fā)明的實施例二公開了上述驗證方法中步驟100的具體實施方式，參見圖2，所述步驟100具體包括如下內容：

步驟101：獲取所述衍射光學元件的位相數據φdoe及入射光的光波復振幅分布。

步驟102：根據所述位相數據φdoe及入射光的光波復振幅分布u入射(x0,y0)，確定通過衍射光學元件平面上的光波復振幅u0(x0,y0)。

從上述描述可知，本發(fā)明的實施例給出了獲取衍射光學元件的位相數據的快速且準確的方式，保證了后續(xù)驗證的準確性。

本發(fā)明的實施例三公開了上述驗證方法中步驟200的具體實施方式，參見圖3，所述步驟200具體包括如下內容：

根據所述通過衍射光學元件平面上的光波復振幅u0(x0,y0)，分別基于菲涅爾衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)1、基于基爾霍夫衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)2、基于瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)3，以及，基于角譜衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)4，具體包括：

步驟201：根據公式一，基于菲涅爾衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)1：

u(x,y)1＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hf(fx,fy)}公式一

在公式一中，hf(fx,fy)為菲涅爾衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

步驟202：根據公式二，基于基爾霍夫衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)2：

u(x,y)2＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hj(fx,fy)}公式二

在公式二中，hj(fx,fy)為基爾霍夫衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

步驟203：根據公式三，基于瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)3：

u(x,y)³＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hr(fx,fy)}公式三

在公式三中，hr(fx,fy)為瑞利-索末菲衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

步驟204：根據公式四，基于角譜衍射傳遞函數算法求解得到所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值u(x,y)4：

u(x,y)4＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hb(fx,fy)}公式四

在公式四中，hb(fx,fy)為角譜衍射傳遞函數；f為傅里葉變換。

從上述描述可知，本發(fā)明的實施例利用菲涅爾衍射、基爾霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角譜衍射的傳遞函數算法，對衍射光學元件位相數據的整形輸出效果展開模擬計算，其計算方式簡單，無需任何光學元器件。

本發(fā)明的實施例四公開了上述驗證方法中步驟300的具體實施方式，參見圖4，所述步驟300具體包括如下內容：

步驟301：對所述u(x,y)1、u(x,y)2、u(x,y)3和u(x,y)4進行一致性檢驗。

步驟302：若其檢驗結果在預設閾值范圍內，則確定所述衍射光學元件的整形效果準確。

從上述描述可知，本發(fā)明的實施例以模擬計算結果的一致性作為整形效果的驗證方式，用時短，節(jié)約了人力和時間成本。

為進一步的說明本方案，本發(fā)明還提供了一種衍射光學元件激光整形效果的驗證方法的應用實例，所述方法具體包括如下內容：

本應用實例在衍射光學元件激光整形效果的驗證方法中，利用了菲涅爾衍射、基爾霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角譜衍射的傳遞函數算法，對衍射光學元件位相數據的整形輸出效果展開模擬計算。其衍射計算的參考坐標如圖5所示。通過doe平面上的光波復振幅為u0(x0,y0)，輸出面上的光波復振幅為u(x,y)。其中通過doe平面上的光波復振幅即包含入射光的光波復振幅分布u入射(x0,y0)和計算所得位相數據φdoe，表達式為：

u0(x0,y0)＝u入射(x0,y0)exp(iφdoe)(1)

已知光波復振幅u0(x0,y0)，基于菲涅爾衍射、基爾霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角譜衍射的傳遞函數算法求解輸出光波復振幅u(x,y)。根據各種衍射傳遞函數算法計算所得結果的一致性，驗證衍射光學元件位相數據的整形效果。

一、菲涅爾衍射積分可表示為：

λ是激光波長,k＝2π/λ是波矢，d是輸入和輸出面的距離。對上式兩邊作傅里葉變換并利用空域卷積定律等。

f{}為傅里葉變換，設fx和f是頻域坐標，菲涅爾衍射傳遞函數hf(fx,fy)可表示為：

(4)式存在解析解：

因而，輸出面的光波復振幅為:

u(x,y)＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hf(fx,fy)}(5)

二、基爾霍夫衍射積分可表示為：

對上式兩邊作傅里葉變換并利用空域卷積定律等。

基爾霍夫衍射傳遞函數hj(fx,fy)可表示為：

因而，輸出面的光波復振幅為:

u(x,y)＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hj(fx,fy)}(9)

三、瑞利-索末菲衍射積分可表示為：

對上式兩邊作傅里葉變換并利用空域卷積定律等

瑞利-索末菲衍射傳遞函數hr(fx,fy)可表示為：

因而，輸出面的光波復振幅為:

u(x,y)＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hr(fx,fy)}(13)

四、角譜衍射積分做傅里葉變換后的準確解為：

角譜傳遞函數hb(fx,fy)可表示為：

因而，輸出面的光波復振幅為:

u(x,y)＝f^-1{f{u0(x0,y0)}hb(fx,fy)}(16)

輸出光波復振幅u(x,y)由以上的菲涅爾衍射、基爾霍夫衍射、瑞利-索末菲衍射和角譜衍射的傳遞函數算法計算出后，根據各自計算結果驗證衍射光學元件位相數據整形效果是否滿足要求。

在一種具體的應用舉例中：入射光為原始高斯分布光束，其束腰半徑取4.9507mm，波長為532nm。衍射光學元件尺寸為10mm×10mm。聚焦透鏡的焦距為10mm，設計理想輸出光束為均勻平頂整形光束，其直徑為2微米。模擬計算的輸出光束如下圖6和圖7所示：

根據輸入和輸出光束，計算所得的衍射光學元件的位相數據如下圖8所示：

此位相數據的整形效果利用菲涅爾衍射傳遞函數算法計算的輸出結果如圖9和圖10所示、基爾霍夫衍射傳遞函數算法計算的輸出結果如圖11和圖12所示、瑞利-索末菲衍射傳遞函數算法計算的輸出結果如圖13和圖14所示、和角譜衍射的傳遞函數算法計算的輸出結果如圖15和圖16所示。從圖9至圖16中可以看出，以上算法模擬計算所得的整形輸出結果均一致，具有平頂的分布特性，滿足設計要求。

本發(fā)明的實施例五公開了一種衍射光學元件激光整形效果的驗證系統的具體實施方式，參見圖17，所述驗證系統具體包括如下內容：

位相數據獲取模塊10，用于獲取衍射光學元件的位相數據。

光波復振幅值獲取模塊20，用于根據多重衍射傳遞函數對所述位相數據進行模擬計算，得到多個所述衍射光學元件的輸出面上的光波復振幅值。

一致性檢驗模塊30，用于對多個所述光波復振幅值進行一致性檢驗，并根據檢驗結果確定所述衍射光學元件的整形效果的準確性。

從上述描述可知，本發(fā)明的實施例需在計算機上模擬計算，即可對衍射光學元件的整形效果進行驗證，其方式簡單，無需任何光學元器件，且用時短，節(jié)約了人力和時間成本。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。