一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法技术

本发明专利技术涉及一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法，属于光束近场整形技术领域，在光束的传输光路中离轴放置光栅编码器件，根据整形光束的期望输出，对光栅编码器件进行编码，光束经光栅编码器件透射后分束为0级衍射光束和－1级衍射光束，所述光束为线偏振光，所述0级衍射光束经过光学滤波系统滤除高频分量，实现对光束的近场整形，本发明专利技术通过在光路中放置导模共振亚波长光栅编码器件，在空域上调控光场在不同衍射级次上的能量分配比例，光栅编码器件可采用光栅刻蚀角度编码或光栅刻蚀面积编码方式，通过后续联接光学滤波系统，仅保留0级衍射光束的低频分量，实现对线偏振光束的近场整形。

A near-field shaping method based on guided mode resonance sub wavelength grating coding

【技术实现步骤摘要】
一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法
本专利技术属于光束近场整形
，具体地说涉及一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法。
技术介绍
在高能量、高功率激光研究及其相关应用领域，对于光束近场强度分布通常具有较高要求，相应地衍生出了光束近场整形的实际需求。例如，为了精确测量相关装置中大口径光学元件的激光损伤阈值，需提供光强分布较为均匀的测试光束；为了保障高能量、高功率激光装置的安全稳定运行，需严格控制光束近场强度分布的调制度，以避免小尺度自聚焦引起的光学元件损伤；激光系统中放大光路模块对应的增益通常为空间非均匀分布，为最终获得符合预期的近场输出，往往需对光束近场进行整形。此外，在高能量、高功率激光装置中，在高通量运行条件下，为避免前级光学元件中已存在局部损伤点的进一步恶化并规避其对下游光路传输带来的不利影响，需在光路中相应位置处对光束进行局部遮蔽，其本质上仍属于光束近场整形。现有用于光束近场整形的光学器件，主要包括空间光调制器、数字微镜、二元光学元件、软边光阑、光楔阵列、双折射透镜等(参考文献：High-damage-thresholdbeamshapingusingbinaryphaseplates，OpticsLetters，VOL.34，2330～2332，2009；High-qualitynear-fieldbeamachievedinahigh-powerlaserbasedonSLMadaptivebeam-shapingsystem，OpticsExpress，Vol.23，681～689，2015)。其中，采用空间光调制器、数字微镜等属于可编程器件，原理上可灵活实现各种光学整形效果，但其对应损伤阈值较低，在高能量、高功率激光近场整形中的应用受到一些限制；软边光阑、光楔阵列、双折射透镜等则通常值适用于对特定的近场分布；采用光学介质制备的二元光学元件，则对应有高达数十J/cm2的损伤阈值，非常适用于高通量条件下激光的近场整形。
技术实现思路
专利技术人在长期实践中发现：导模共振亚波长光栅编码器件(简称光栅编码器件)具有与二元光学元件相当的高损伤阈值，但二者在光束整形原理上有所区别。其中，二元光学元件基于标量衍射光学原理，实现光束能量在不同衍射级次的分配，传统二元光学元件对应的刻蚀线宽通常在10μm量级。光栅编码器件基于导模共振亚波长光栅的偏振分束效应，实现光束能量在不同衍射级次的分配，器件对应的刻蚀线宽仅在波长量级。由于光栅编码器件对应的最小刻蚀线宽仅在亚波长量级，即相比于二元光学元件，光栅编码器件可在空域上实现更为精细的光束近场整形效果。因此，针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法，包括以下步骤：S1：在光束的传输光路中离轴放置光栅编码器件，根据整形光束的期望输出，对光栅编码器件进行编码，光束经光栅编码器件透射后分束为0级衍射光束和-1级衍射光束，其中，0级衍射光束为整形光束的期望输出，所述光束为线偏振光；S2：所述0级衍射光束经过光学滤波系统滤除高频分量，实现对光束的近场整形。优选的，光栅编码器件包括基底以及位于基底上的多个光栅，所述光栅为矩形光栅，且光栅背脊区域与基底采用相同的介质材料制得。优选的，步骤S1中，为保证光束经过光栅编码器件透射后，仅存在0、-1级两个衍射级次，则光束入射至光栅的入射角需满足：λ为光束波长，其中，d＝b+g，d表示光栅周期，b表示单个光栅背脊区域宽度，g表示单个光栅凹槽区域宽度，且0.5λ<d<1.5λ。优选的，在不同占空比f条件下，光束中的TE偏振分量始终存在两个导模，则：其中，k0＝2π/λ，nb、ng分别表示光栅脊背、沟槽区域的折射率，所对应的模式为导模，存在的两个导模对应的等效折射率记为优选的，当TE偏振分量中两个导模经过光栅传播后累积的相位差满足公式：h表示光栅凹槽深度，此时，导模干涉相消，光束TE偏振分量所对应导模被完全耦合至-1级衍射光束中，即TE偏振分量的0级衍射效率为0。优选的，采用面积编码方式对光栅编码器件进行编码，包括以下步骤：(1)将光束的空间光强分布、光束的期望输出分别记为Iin(x,y)、Iout(x,y)，对于Iin(x,y)>0的有效区域，光栅编码器件的0级衍射光束透过率分布设计目标为：Itar(x,y)＝Iout(x,y)/Iin(x,y)，对Itar(x,y)进行归一化，记为Inorm(x,y)；(2)将光栅编码器件划分为M×N个子区域，光栅编码器件的面积编码设计目标S(i,j)，1≤i≤M，1≤j≤N，则S(i,j)/(Δx×Δy)＝1-mean[Inorm(x,y)]，(i-1)×Δx≤i×Δx，(j-1)×Δy≤j×Δy，Δx和Δy分别表示子区域尺寸，mean()函数表示取均值运算。优选的，步骤S1中，采用光栅刻蚀角度编码方式对光栅编码器件进行编码，-1级衍射光束沿着某个锥面出射，包括以下步骤：(1)设定光栅栅线方向、光栅栅条方向、光栅法线方向分别为x、y、z轴，光束入射方向与x-z平面夹角为φ，光束入射方向与z轴夹角为光束的电场分量与入射面夹角采用严格耦合波理论计算不同编码角度φ值下0级衍射光束对应的衍射效率，φ∈[0°,90°]，建立编码角度与衍射效率间的归一化映射曲线ηnorm(φ)，0≤η≤1；(2)将光束的空间光强分布、光束的期望输出分别记为Iin(x,y)、Iout(x,y)，对于Iin(x,y)>0的有效区域，光栅编码器件的0级衍射光束透过率分布设计目标为：Itar(x,y)＝Iout(x,y)/Iin(x,y)，对Itar(x,y)进行归一化，记为Inorm(x,y)；(3)将光栅编码器件划分为M×N个子区域，光栅编码器件的角度编码设计目标φ(i,j)，1≤i≤M，1≤j≤N，且ηnorm[φ(i,j)]＝mean[Inorm(x,y)]，(i-1)×Δx≤i×Δx,(j-1)×Δy≤j×Δy，Δx、Δy分别表示子区域沿x、y方向的宽度，mean()函数表示取均值运算。优选的，所述光学滤波系统为4f滤波系统。本专利技术的有益效果是：对于线偏振光束，通过在光路中放置光栅编码器件，充分利用导模共振亚波长光栅所具有的衍射效率高、对光束偏振态敏感、对光束入射角敏感的特点，在空域上调控光场在不同衍射级次上的能量分配比例，光栅编码器件可采用光栅刻蚀角度编码或光栅刻蚀面积编码方式，通过后续联接光学滤波系统，仅保留0级衍射光束的低频分量，实现对光束的近场整形。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是光栅编码器件的结构示意图；图3是光束在锥形衍射情形下的衍射特性示意图；图4(a)是光束的光强分布示意图，图4(b本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：在光束的传输光路中离轴放置光栅编码器件，根据整形光束的期望输出，对光栅编码器件进行编码，光束经光栅编码器件透射后分束为0级衍射光束和－1级衍射光束，其中，0级衍射光束为整形光束的期望输出，所述光束为线偏振光；/nS2：所述0级衍射光束经过光学滤波系统滤除高频分量，实现对光束的近场整形。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于导模共振亚波长光栅编码的光束近场整形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在光束的传输光路中离轴放置光栅编码器件，根据整形光束的期望输出，对光栅编码器件进行编码，光束经光栅编码器件透射后分束为0级衍射光束和－1级衍射光束，其中，0级衍射光束为整形光束的期望输出，所述光束为线偏振光；
S2：所述0级衍射光束经过光学滤波系统滤除高频分量，实现对光束的近场整形。


2.根据权利要求1所述的光束近场整形方法，其特征在于，光栅编码器件包括基底以及位于基底上的多个光栅，所述光栅为矩形光栅，且光栅背脊区域与基底采用相同的介质材料制得。


3.根据权利要求2所述的光束近场整形方法，其特征在于，步骤S1中，为保证光束经过光栅编码器件透射后，仅存在0、－1级两个衍射级次，则光束入射至光栅的入射角需满足：

λ为光束波长，其中，d＝b+g，d表示光栅周期，b表示单个光栅背脊区域宽度，g表示单个光栅凹槽区域宽度，且0.5λ＜d＜1.5λ。


4.根据权利要求3所述的光束近场整形方法，其特征在于，在不同占空比f条件下，光束中的TE偏振分量始终存在两个导模，则：









其中，k0＝2π/λ，nb、ng分别表示光栅脊背、沟槽区域的折射率，所对应的模式为导模，存在的两个导模对应的等效折射率记为


5.根据权利要求4所述的光束近场整形方法，其特征在于，当TE偏振分量中两个导模经过光栅传播后累积的相位差满足公式：

h表示光栅凹槽深度，此时，导模干涉相消，光束TE偏振分量所对应导模被完全耦合至－1级衍射光束中，即TE偏振分量的0级衍射效率为0。


6.根据权利要求5所述的光束近场整形方法，其特征在于，步骤S1中，采用面积编码方式对光栅编码器件进行编码，包括以下步骤：
(1)将光束的空间光强分布、光束的期望输出分别记为Iin(x，y)、Io...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾发，代万俊，张晓璐，薛峤，李森，田晓琳，宗兆玉，龙蛟，梁樾，赵军普，张君，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51