用于超宽焦斑光束整形的大口径衍射光学元件设计和制作

采用改进混合优化算法首次设计并制作了口径168.7 mm的连续衍射光学元件实现类环形光束入射,输出直径650μm超宽焦斑光束均匀照明.用Nd:YAG脉冲激光器1.064 μm波长激光进行实验,获得了与设计尺寸相符、边缘陡峭、无中心尖锐脉冲、具有极好的离焦宽容性的宽焦斑,但焦斑顶部不均匀性较大.对此进行了深入的模拟分析,结果表明:焦斑顶部较大的光强调制主要来源于现有的工艺及实验条件误差.     

底发射VCSEL片上点阵结构光投影装置设计

为解决现有点阵结构光投影装置中准直透镜会导致较强的零级衍射而造成投影点阵光强分布不均匀的问题,提出了一种基于底发射垂直腔面发射激光器的片上点阵光投影装置结构,并给出了衍射光学元件设计思路。首先对目标光场进行光强调整和坐标变换,在无准直透镜情况下利用基于瑞利-索末菲衍射积分的Gerchberg-Saxton改进算法获得片上衍射光学元件的相位分布,并最终对该点阵投影装置的投影效果进行评估。结果表明:在衍射光学元件设计过程中采用高斯光束作为光源时,该结构能更好地抑制零级衍射,获得光强分布更加均匀的投影点阵。此外,该结构不仅可省去透镜的安装,减小投影装置尺寸,还可通过流片工艺实现光源和衍射光学元件一体化集成。     

与光谱色散匀滑技术联用的衍射光学器件的优化设计

基于空间频谱,对光谱色散匀滑(SSD)技术与衍射光学器件(DOE)联用的焦面光强分布进行了严格的理论分析。与光谱色散匀滑技术联用前后,衍射光学器件焦面光强分布均可转化为一系列不同频率、不同复振幅的正余弦函数的叠加。光谱色散匀滑技术对衍射光学器件焦面光强分布空间频谱进行调制,该调制不仅与光谱色散匀滑参数,还与衍射光学器件相位分布有关。该技术使得衍射光学器件焦面光强分布变得更平缓,但要获得良好的联用性能,需根据光谱色散匀滑参数进行衍射光学器件的优化设计。在某一给定的光谱色散匀滑参数条件下,进行了衍射光学器件的优化设计。结果表明,与光谱色散匀滑技术联用后,衍射光学器件对入射波前畸变的宽容度有较大提高。     

基于离散抽样加密算法的衍射光学元件设计

为满足浸没式光刻照明系统对掩模面高均匀性和不同照明模式的要求,对照明系统中的照明模式变换器进行了研究。采用衍射光学元件（Diffractive Optical Elements,DOE）来产生各种照明模式,从光栅结构出发,经两步变换分析了光栅转变为DOE的过程。并提出一种离散抽样加密算法,以抽样线宽1~5 m的四极照明DOE为例,揭示了DOE特征尺寸、衍射效率和光强分布非均匀性的实际对应关系。设计结果表明:随着抽样线宽的减小,整形光束的衍射效率和均匀性将得到较大提高。利用接触式光刻工艺完成了特征尺寸为1.76 m1.76 m的16台阶照明模式变换DOE的制作,通过搭建光学测试平台对不同照明模式下DOE的光强非均匀性和衍射效率进行了测试,结果满足设计要求,验证了离散抽样加密算法能够有效指导照明模式变换系统DOE的设计。     

指印光学显现系统液芯光纤光束传输特性研究

光学显现提取技术是无损检测潜在指印的重要技术手段,而照明激发光源的可用光功率及光斑光强分布的均匀性对指印的光学显现效果及检测率具有重要的影响。采用紫外传输液芯光纤作为指印光学显现系统照明激发光源的导光传输元件,实验测量了液芯光纤在紫外光波段的传输特性,得到了266nm激光光束在液芯光纤中的传输效率及其随光纤弯曲半径的变化关系。实现了光纤传输出射光束的均匀光强分布,可满足指印显现提取所需的高功率、均匀照明激发条件。研究结果为液芯光纤应用于指印光学显现系统照明激发光源的导光传输提供了实验依据,具有实际应用价值。     

振幅自由度对衍射光学元件成像的影响研究

为了在衍射光学元件设计中提高再现像光强分布均匀性, 改善成像质量, 利用光场传播过程中一定存在泄漏的现象, 为目标图像增加了混合型振幅自由度, 优化了设计算法, 并设计了傅里叶变换型衍射光学元件, 验证了方法的有效性。结果表明, 增加振幅自由度后设计的元件的再现像光强不均匀性从14%左右降到了1%以下, 均方误差从10%左右降到了0.1%以下。该方法对Gerchberg & Saxton(GS)算法和模拟退火算法均适用。     

用于激光加工中的矩形孔径Dammann光栅光束变换技术

针对大功率激光加工对光束空间强度分布的实际要求,提出了一种用二元光学元件对光束进行变换的方法,即利用均匀采样的矩形孔径Dammann光栅对激光高斯光束进行光束变换,可满足任意点阵分布的输出要求.以线状、均匀、环状和非均匀分布的光强输出为例,介绍了矩形孔径Dammann光栅光束变换技术的设计原理及实现方法,结果表明输出光强分布具有较高的衍射效率和均匀性.将均匀和非均匀分布的输出光束应用在激光加工技术的表面强化上,结果表明试样表面的硬度和耐磨性等力学性能均有提高并且强化层具有较好的均匀性.     

基于衍射光学器件的光学图像级联加密系统

提出基于衍射光学器件的光学图像级联加密系统.一般来说,一个n级系统可由n个透镜串联组成.经过优化设计的衍射光学元件如相位板等相应的放置在系统的空间域和频谱域.当系统在平面波照明下,便能在输出平面获得解密图像.这些衍射元件可通过级联迭代傅里叶变化算法设计.计算机模拟结果显示,算法具有很快的收敛速度,而且所应用于的系统的级次越多,相应的收敛速度越快.级联系统能够高质量的恢复原始图像,使之与原始图像的均方差小于5×10-30.采用密钥共享方案,级联系统可以用作多用户系统,这样能使安全性明显提高.     

衍射光学器件精细化设计及光强失真机理

基于基尔霍夫标量衍射理论,详细分析了输入、输出平面及变换函数抽样间距的选取原则.系统建立了衍射光学器件精细化设计的抽样理论,深入研究了输出图样在非抽样点上的光强失真机理.在定义衍射光学器件光能利用率、顶部不均匀性等性能评价参数的基础上,以盖师贝格-撒克斯通(GS)算法设计一维光束整形器件为例,探讨了输出图样在非抽样点上的光强失真和输出平面抽样间距间的关系,通过模拟计算验证了精细化设计时输入与输出平面抽样理论的有效性.     

高斯光束经局域相位调制后的光强分布和角谱特性

光学元件上不可避免地存在的缺陷会对传输光束产生局域振幅和相位调制。基于菲涅耳衍射积分,建立了高斯光束经局域相位调制后的传输模型,得到了高斯光束经有限多个小尺寸局域相位调制后的光强分布和角谱解析式,详细研究了相位调制尺寸与调制深度对光束光强分布和角谱的影响。结果表明,不同调制尺寸、调制深度对高斯光束在传输过程中的影响相似。且调制深度越大,产生的最大光强越大。相位缺陷尺寸越大产生的最大光强的位置离缺陷越远,随着调制深度、尺寸的增大和调制位置距光轴距离越近,低频区的角谱越小,中高频区的角谱越大。     

衍射光学束匀滑器件的自相关系数与性能参数

根据衍射光学束匀滑器件透过率函数的自相关系数．重新定义了表征衍射光学器件(DOE)焦面光强分布束匀滑性能的两个参数：光能利用率和顶部不均匀性。此种定义是对利用衍射光学器件焦面比强分布的空间频谱进行的性能参数定义的一种近似，对于精细化设计．两种定义计算结果非常吻合；而对于传统设计．两种定义计算结果有较大偏差：当衍射光学束匀滑器件与光谱色散平滑(SSD)技术联合使用时．模拟计算结果表明．对于精细化设计与统设计，定义的性能参数均能反映衍射光学器件的实际使用性能。     

衍射光学束匀滑器件的精细化设计

修正了衍射光学束匀滑器件一维设计公式 ,利用爬山 模拟退火混合优化算法 ,进行了束匀滑器件的精细化设计 ,不仅获得了算法中焦面采样点上的束匀滑光强分布 ,还使焦面上其他非采样点也满足束匀滑光强分布。     

衍射光学束匀滑器件性能的空间频谱分析

采用空间频谱方法分析了衍射光学束匀滑器件的焦面光强分布 ,重新定义了光能利用率及顶部不均匀性两个参数 ,由于其定义的溯源性 ,能够真实准确地评价束匀滑器件的设计性能。最后 ,采用这两个参数对精细化设计前后的衍射光学束匀滑器件性能进行了对比 ,结果证明了精细化设计的有效性     

时域与空域结合实现光束匀滑的光谱优化分析

为改善焦斑的均匀性以应用于惯性约束聚变(ICF)的实验,从焦斑形态的控制出发,在随机相位板(RPP)和连续相位板(CPP)做空域整形下,用同样带宽和最大谱色散角,模拟了不同光谱形状的匀滑效果,通过焦斑强度的功率谱密度(PSD)和平顶的均方根(RMS)对获得的焦斑进行评价.结果表明,改善光谱形状可以提高匀滑效率,优化光谱相对主流的正弦调频光谱对匀滑效果的均方根值可提高43.7%.同时,设计相位板时考虑焦斑上不同空间频率的权重,有利于匀滑.     

数字微镜器件的远场焦斑测量方法

提出了一种基于数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device,DMD）的高功率激光远场焦斑大动态测量方法。采用DMD对焦斑主瓣和旁瓣区域进行分离,用两路CCD分别测量,通过图像拼接实现两路测量结果的融合,获得大动态焦斑数据。DMD由数字信号控制,通过改变控制信号模板,可以快速适应不同形态焦斑的测量。具体分析了DMD焦斑分割原理及DMD控制信号模板的获取,说明了焦斑重构时所需的图像校正和对准方法,实验验证了新方法的可行性。结果表明:文中方法的测量动态范围可以达到3 000:1以上。     

混频相控阵聚焦特征的研究

混频相控阵作为超声相控阵中的一种新方法，在声场聚焦和偏转都有突出表现。文中对其在聚焦过程中的聚焦特征及相关因素与常规同频相控进行对比分析，得出混频相控阵有利于提高焦区的声能密度，信噪比和轴向分辨率；同时给出了如何优化选择阵列各阵元相应的激发频率。这对改善超声诊断的成像质量和提高聚焦治疗的能量密度等有重要意义。     

分数傅里叶变换衍射光学束匀滑器件的精细化设计

采用精细化设计方法,进行了分数傅里叶变换衍射光学束匀滑器件的设计,利用爬山-模拟退火混合优化算法,获得了真实的束匀滑分布,不仅控制了算法采样点上的光强分布,还控制了其他非采样点上的光强分布。     

MMSE techniques for space diversity receivers in OFDM-based wireless LANs

This paper studies the application of the minimum mean square error (MMSE) beamformer to orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)-based wireless local area networks. The questions here addressed are mainly the design with finite-length data and the choice of the OFDM signal domain where the beamformer is applied, either frequency or time. As OFDM signals need more samples than other modulations to stabilize the estimation of the signal statistics, how to exploit the finite-length training sequence provided for the design of equalizers becomes an important issue. The paper also shows that the usual frequency processing in OFDM is not always the best choice for the spatial beamforming, mainly for channels with a very high delay spread. Then, time processing turns out to be the best suited approach in terms of the tradeoff between performance and complexity. Additionally, novel modifications of the MMSE spatial filter are proposed to improve the raw bit-error rate performance: 1) a temporal semiblind approach that exploits the cyclic prefix and 2) windowing in the frequency domain.