撰稿：司? ? 佳; 馮澤心; 程德文; 王涌天;《光學學報》第17期封面故事司佳;馮澤心;程德文;王涌天;實現給定能量比離散光斑陣列的自由曲面分束器[J]. 光學學報,2020,40(17):1722004.

導讀

激光分束器是將輸入光束分為一維或二維光束陣列的光學元件。衍射光學元件可以通過將能量注入指定衍射階次實現分束功能，但它們難以兼顧高衍射效率和低加工制造成本兩個因素。其中二元相位光柵受其自身量化結構的限制，無法將能量完全注入所需階次，從而造成較高的能量損失；連續相位光柵可以提供較高的衍射效率，卻只有少數公司可以生產高精度高質量的連續表面輪廓光柵。北京理工大學王涌天教授團隊、程德文教授課題組的研究生司佳及馮澤心特別副研究員等人探索了如何使用自由曲面透鏡來生成具有特定排列方式、光束輪廓和能量比例的離散光斑陣列。

背景

如何用一臺激光器在更短的時間內將鋼板切割成更多的部分，或是在更短的時間內在一塊鋼板上打出更多按一定規則排列的小孔？

————激光分束器可以勝任這個工作。

激光分束器是將輸入光束分為一維或二維光束陣列的光學元件，在激光雷達、激光加工、激光通信等領域實現并行處理，極大的提高應用效率。

目前常用的激光分束器都是基于物理光學原理設計的，這些衍射光學元件(Diffractive optical elements, DOEs)可以通過將能量注入指定衍射階次實現分束功能，但它們難以兼顧高衍射效率和低加工制造成本兩個因素。

其中二元相位光柵受其自身量化結構的限制，無法將能量完全注入所需階次，從而造成較高的能量損失；連續相位光柵可以提供較高的衍射效率，卻只有少數公司可以生產高精度高質量的連續表面輪廓光柵。

離散光斑陣列

北京理工大學王涌天教授團隊、程德文教授課題組的研究生司佳及馮澤心特別副研究員等人探索了如何使用自由曲面透鏡來生成具有特定排列方式、光束輪廓和能量比例的離散光斑陣列。

與傳統的球面、非球面和柱面等傳統光學表面不同，自由曲面打破了旋轉和平移對稱性，可以提供足夠的自由度以實現對光線的更精確控制。而隨著金剛石超精密車削加工以及模壓、注塑技術的快速發展，自由曲面光學元件的批量加工成本可以控制在較低的范圍。另外，與DOE相比，自由曲面光學元件往往具有更高的光能利用率。

實現激光任意分束的光學自由曲面構建在數學上是一個很復雜的反問題，目前尚缺乏嚴格的數學模型。多參數優化法是當前唯一應用于自由曲面分束器的構建方法，但該方法需要多次仿真，運行速度慢，特別是應用于產生具有定制光束輪廓的任意比例光斑圖案時效率會很低。

基于LED照明及光刻中的自由曲面構建理論，該課題組發展了一種針對激光分束的兩層能量映射構建算法，大大降低了問題求解復雜度、提升了求解效率。

如圖1所示，在第一層，為了實現目標面上不連續的輻照度分布，首先根據能量守恒將入射光束劃分為一系列與光斑陣列對應的子區域，并明確這些子區域的邊界。

圖1. 自由曲面分束器設計示意圖第二層主要構建每個子區域的自由曲面片。具體策略是采用分離變量法計算每個子區域與相應光斑之間的光線映射關系之后，用最小化表面誤差的最小二乘法來構造遵循該映射關系的連續且光滑的子曲面，將所有的子曲面依序拼接得到具有分束功能的自由曲面整體。可以通過調整每個子曲面的初值點使得任意兩個相鄰子曲面之間具有較小的矢高差。該方法的優點在于簡潔、靈活、高效，不但可以實現傳統的激光分束，如將高斯光束轉化為5×5 的等能量高斯光斑陣列(圖2所示)，也可以產生不均勻能量比例的矩形平頂光斑陣列(圖3所示)。如果入射光束是未準直的，可以將透鏡入射面由平面替換為二次曲面或自由曲面達到對入射光束的準直作用。因輸出輻照度的離散特性及本方法的固有限制帶來的出射表面不連續性，將給加工帶來一定的困難，但目前的自由曲面加工水平已經足以應對此類非連續表面。圖2. 自由曲面分束器將高斯光束轉化為5×5 的等能量高斯光斑陣列: (a)透鏡模型及光線追跡示意圖；(b)仿真照度分布。(采用LightTools 8.6進行仿真)圖3. 自由曲面分束器將高斯光束轉化為5×5 的等能量高斯光斑陣列: (a)透鏡模型及光線追跡示意圖；(b)光斑能量分配比例；(c)仿真照度分布。(采用LightTools 8.6進行仿真)。

后續工作

物理光學仿真表明，衍射會降低分束光斑的光學性能。另外，相鄰子曲面間的表面矢高突變仍然不利于提高加工效率和降低加工成本，而且會增加透鏡易損性。該課題組接下來的工作將集中于設計具有連續表面的分束透鏡，以及探尋可以減弱衍射效應影響的分束方案。

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總結

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