[发明专利]焦斑全频分段控制的连续相位板设计方法

摘要

本发明公开了一种焦斑全频分段控制的连续相位板设计方法，步骤为：(1)设定激光器波长、近场输入分布、成像焦距和远场目标分布；(2)确定连续相位板尺寸；(3)确定加工工艺限制，设计相应的滤波器；(4)根据步骤(1)设计连续相位板的初始相位分布；(5)根据步骤(1)设计相应频谱控制函数；(6)利用傅里叶变换关系得到当前相位板分布下的远场分布并计算焦斑顶部光强均方根误差；(7)对远场分布进行空间频谱控制；(8)利用傅里叶逆变换得到输入面的分布；(9)重复步骤(6)至(8)，达到设计目标，设计完成。本发明实现了连续相位板的高效率设计，改善设计可能陷入局部最优的缺陷；对于任意形状焦斑的设计也有很好的应用。

主权项

1.一种焦斑全频分段控制的连续相位板设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.设定激光的波长λ、近场输入分布E_in，焦距f，远场目标分布E_obj；步骤2.设定焦斑顶部光强的均方根误差σ_RMS所要达到的阈值；步骤3.设定相位板为正方形，且边长L大于近场输入分布E_in的大小；步骤4.设计限制相位周期的低通高斯滤波器，函数表达式如式(1)所示：式中，为近场波矢，为相位板的最小单元频率，n为超高斯阶次，为近场频域坐标；步骤5.根据近场输入分布E_in和远场目标分布E_obj，获得连续相位板的初始分布Φ₀，如式(2)所示：C为常数因子，Φ(x_ff,y_ff)为[‑π,π］的随机远场相位分布，表示傅里叶算符，为保留远场低频的低通滤波器，其中为远场波矢，为初始相位的低频截止频率，为远场频域坐标，得到的Φ₀作为步骤7中初始的相位板分布Φ_cpp；步骤6.根据目标焦斑E_obj的频谱分布，设计控制远场频谱的带阻滤波器，如式(3)所示：分别为控制焦斑频谱的高低截止频率；步骤7.根据光学衍射理论模拟出输入光场E_in在当前相位板Φ_cpp作用下得到的远场振幅分布E_ff和相位分布φ_ff，如式(4)所示，并计算焦斑顶部光强的均方根误差σ_RMS，如式(5)所示：表示傅里叶算符，I为输出光强顶部各采样点的大小，表示顶部平均光强；步骤8.将得到的远场振幅E_ff通过焦斑频谱控制函数进行频谱控制后得到的新的远场分布E_ff′，如式(6)所示：式中，为实数算符；步骤9.用步骤8中得到的E_ff′替代E_ff，相位φ_ff保持不变，通过傅里叶逆变换得到对应的近场振幅分布E_nf和相位分布φ_nf，如式(7)所示：步骤10.将步骤9中得到的相位分布φ_nf通过步骤4中的函数滤波后作为新的相位板Φ_cpp，重复步骤7至9，当顶部光强均方根误差σ_RMS达到设定阈值时，迭代完成，获得满足要求的连续相位板分布。