[发明专利]一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法

摘要

本发明公开了一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，1)确定衍射光学元件设计激光的波长和各波长激光对应的光场分布；2)确定各波长对应的目标图像和成像距离；3)确定衍射光学元件的整体尺寸和相位阶数；4)根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单波长衍射元件；5)取出步骤4)中得到的最长波长对应的衍射元件高度作为初始高度，在衍射元件每个像素点上加上一定的高度；6)将步骤5)中调整后的每个像素点结构高度对应每个波长的等效相位与各波长对应的单波长衍射元件在该像素点的等效相位做差；7)重复步骤5)和步骤6)，当各波长对应差的平方和最小时，迭代完成；8)对设计得到的相位进行量化。

主权项

一种适用于多波长的衍射光学元件设计方法，其特征在于，该方法克服多波长衍射元件设计时输出光场简单，输出距离短的问题，通过寻找多波长衍射元件与各单波长衍射元件的等效相位差最小的点，计算出最优的多波长衍射元件相位高度，实现了设计速度快同时能保证较高的衍射效率和较低的均方根误差的衍射元件设计，所述衍射元件的设计步骤如下：步骤(1)、确定衍射光学元件设计中所使用激光的波长(λ1、λ2、λ3…λn)和各波长激光对应的光场分布(U1、U2、U3…Un)；步骤(2)、根据具体需要，确定各波长对应的目标图像分布(A1、A2、A3…An)和成像距离z；步骤(3)、根据具体需要，确定衍射元件的整体尺寸L和相位阶数q；步骤(4)、根据各波长对应的目标图像，利用GS算法分别设计适用于各波长的单波长衍射元件，将设计完成的单波长衍射元件高度记为h1、h2、h3…hn；衍射元件高度h与相位的关系如式(1)所示；步骤(5)、取出步骤(4)中得到的最长波长λ1对应的衍射元件高度作为初始高度，在衍射元件每个像素点上加上一定的高度；h(x,y)=h1(x,y)+[m(x,y)+Δ(x,y)]λ1n1-1---(2)]]>式(2)中，m为在[0,M]范围内的整数，M为任意整数，△为面型调整的可控因子，取值范围为[‑δ％,δ％]，δ为大于0且小于100的任意实数，h为多波长衍射元件高度，(x,y)代表衍射元件各像素点的坐标位置，单波长DOE高度上加上mλ/(n‑1)时，n为材料的折射率，其对波长λ的相位调制量的改变为2π的整数倍，成像不会受到任何影响，加上△λ/(n‑1)的高度，会使成像产生中心零级，但当△在一定面型差异范围内时，中心零级强度可以忽略，波长为λ的光束成像满足成像需要；步骤(6)、将步骤(5)中调整后的每个像素点结构高度对应每个波长的等效相位与各波长对应的单波长衍射元件在该像素点的等效相位做差记为RMS1、RMS2、RMS3、…RMSn；RMSk=modλk[h(x,y)×(nk-1)]-hk(x,y)×(nk-1)---(3)]]>其中，RMSk(k＝1、2、3...n)为迭代后的结构与波长为λk单波长衍射元件结构的等效差值；moda(b)是b对a的求余函数，nk(k＝1,2,3…n)为材料对波长λk的折射率；步骤(7)、重复步骤(5)和步骤(6)，当各波长对应差的平方和最小时，迭代完成，平方和定义如(4)下：RMS=RMS12+RMS22+...+RMSn2---(4)]]>得到的m和△代入式(2)即可得到多波长DOE每个像素点的高度；步骤(8)、迭代结束后，对输入平面光场的相位分布进行q阶量化，量化后的相位分布，即为最终的衍射光学元件相位分布；该方法克服了传统的多波长衍射元件设计方法设计所得的衍射元件无法加工的缺点，该方法量化后的结构依然具有很好的成像效果，可用于实际加工，解决了目前对于多波长衍射元件无法加工的问题；该方法输出场不受点数和距离的限制，成像光场可简单可复杂，量化后的结构的台阶深度线性分布，只需要一个衍射元件，即可实现对多个波长的光束进行调控。