柴立群[1]2000年在《光波导数值模拟及实验研究》文中认为本文通过对光波导的不同数值算法，包括光束传输法（Beam PropagationMethod）与一种新颖数值算法（基于付立叶展开的模传播法（Mode Propagationby Fourier Extension））进行了详细的研究与对比，给出了详尽的数学推导，归纳出了具体的差分公式。并对各种BPM算法（有限差分法、宽角算法、三维情况下的矢量法）的应用进行了归纳。对导波光学器件中常用的劈形、Y分支器、X交叉、定向耦合器作了详细的计算，并通过实验定性地加以证实。通过研究，对计算模型的选取提出了物理概念清晰的独到的见解。同时在玻璃衬底上制作了平板多模波导、1*4分支与大角度X交叉波导，测试结果表明波导特性定性地与理论相吻合。
刘军[2]2010年在《SOI脊形光波导损耗研究》文中提出SOI(Silicon-On-Insulator)脊形光波导由于其优异的电学和光学性能成为集成光路的重要组成部分,在未来光互连与光计算等领域有着非常重要的应用,而光波导的损耗问题一直以来被视为其实现商业化的主要问题。本论文中,我们代表性地就SOI脊形波导的设计、制备、表征以及损耗问题的产生机制、解决途径和分析实验等相关问题作了系统的研究。主要工作表现在以下几个方面:1.通过理论推导分析了SOI脊形光波导的模式传输特性和损耗特性。采用有效折射率方法分析了SOI脊形光波导的模式特性,获得了不同尺寸范围内SOI脊形光波导的单模传输条件。利用有限差分光束传输(FD-BPM)方法进行数值模拟,获得了不同尺寸脊形光波导的横场分布,相同结构下得到的准TE和准TM模模拟结果表明准TE模受到波导侧壁粗糙度更大进而具有更大的散射损耗,波导结构特性的模拟结果为波导优化设计和以后相关损耗的分析提供了理论依据。2.利用ISE-CAD软件中Dios和MDraw两个工艺仿真模块对SOI脊形光波导和PIN结的制备工艺以及二氧化硅乳胶扩散掺杂的杂质分布和结深进行了模拟,获得了PIN结构两掺杂区的参考间隔宽度和工艺参数;采用半导体激光模拟软件Sim Windows分别对热平衡状态下和正、反向偏压下PN结和PIN结的电学特性进行了模拟,获得了各自内建电场的分布和自由载流子分布情况,在引入光强后获得了光强与载流子复合速率之间的制约关系,其中PIN反向偏压下的模拟结果为利用PIN结构实现载流子吸收损耗控制提供了有力的理论依据和数据支撑。3.分析了SOI脊形波导内部损耗的主要物理机制,给出了波导侧壁粗糙度引起的散射损耗和自由载流子吸收损耗的控制途径。对于散射损耗,我们重点分析了粗糙度标准差和波导尺寸与散射损耗的关系,指出尺寸一定的波导,可以通过热氧化等工艺降低散射损耗;利用Comsol软件重点分析了SOI脊形波导的本征区宽度、偏置电压以及入射光功率对自由载流子吸收损耗的影响情况,证明利用反向偏压下的PIN结构是解决损耗问题的有效方法,同时指出了这一方法有限的损耗控制能力以及利用正向偏压制作硅调制器的局限性,所获得的模拟结果为确立相关的损耗控制实验方案提供了重要的参考数据。4.基于Fabry-Perot腔理论建立了一种简单有效的SOI光波导损耗测量方法。有异于传统的F-P腔透射功率谱测试,该方法采用端面耦合,通过测试波导反射功率谱并利用傅立叶频谱信息,完成波导损耗的测量,推导中指出了无法直接利用反射谱F-P峰峰谷值求解损耗的限制因素。整个测量系统包括了波导端面实时监视对准部分,从而很好地保证了测量的精度和较高的实验重复性。该测量方法为亚微米SOI脊形波导损耗的研究提供了重要的研究手段,损耗测量结果为今后在相同工艺条件下进行损耗研究确立了基本的衡量标准。5.利用自建的半导体掺杂和测试平台进行了二氧化硅乳胶扩散掺杂的实验,利用该平台实现了SOI脊形波导两侧PIN结的制作。所建掺杂实验平台可以实现硼、磷元素的硅基可控掺杂,测试平台可以实现较高掺杂浓度样品方块电阻的测试;具体实验中,根据本文中波导结构统一的设计要求成功实现了高浓度、浅结深以及高分辨率的一步掺杂,较传统的“二步掺杂法”对硅基底晶格结构破坏更小并且更易控制、成本低且成品率高。实验制备的PIN结构为有关SOI脊形波导非线性损耗控制的进一步研究提供了器件基础。
楼歆晔[3]2006年在《基于软光刻法的新型Y分叉光功率分配器》文中提出在日益增长的宽带服务业务和接入需求的驱使下,光纤到户(FTTH)凭借其极大的带宽成为最理想的接入网技术。作为FTTH的解决方案,无源光网络(PON)的大规模部署需要依靠低成本和高性能的无源光器件。光功率分配器是无源光网络中的核心光器件之一,本文以研究实用的Y分叉光功率分配器为目的,提出了一种新型结构,与传统的级联Y分叉型相比能显著减小体积;并且,将软光刻工艺应用于器件的制作,大大降低器件成本,简化制作过程,增加生产效率。本文的主要内容包括以下几部分: 首先,深入研究了光波导的相关基本理论。从麦克斯韦电磁方程组出发阐述了光波导的传输条件和理论分析方法。研究了平面平板波导的射线理论分析法和电磁场分析法,条形波导的马卡梯里法和等效折射率法。着重讨论了实用的光波导数值计算方法——光束传输法,为器件的设计分析打下坚实的基础。 然后,对Y分叉光功率分配器的结构展开具体的设计与优化。其中包括输入波导、输出波导、Y分叉、连接波导等的局部设计。采用光波导数值模拟软件BeamPROP~(TM)分析Y分叉角度、圆弧波导的半径与圆心角、直波导长度等结构参数对插入损耗与分光均匀度的影响。综合优化后的局部设计,给出1×8和1×16光功率分配器的最终设计方案,数值模拟结果表明两者均具有较低的插入损耗和较高的均匀度。 最后,将软光刻法用于制作自行设计的新型Y分叉光功率分配器。母版的制作采用运动精度为0.1μm的高精度数控雕刻机进行单线雕刻,而后通过两个步骤的翻印得到器件的硅酮弹性体(PDMS)阴模,将UV固化树脂通过毛细管成模(MIMIC)工艺填充该模具,然后将其覆盖于光学基底,采用紫外光固化成形,形成自承式(stand-alone)结构。对制作完成的光功率分配器进行实际的性能测试,并将实验结果与理论分析相结合提出进一步提高器件性能的方法。
杨柳[4]2009年在《基于强限制光波导的微环谐振器及其热光特性研究》文中提出器件小型化的研究一直是集成光电子器件的发展方向之一。利用强限制光波导结构是实现器件小型化设计的一种非常有效的途径。微环谐振器(MRR)是集成光电子回路的重要组成单元,它可以实现光无源/有源器件的众多功能,因此MRR的相关研究至关重要。本论文围绕SOI(Silicon-on-insulator)和SU-8两种材料,研究了两种强限制光波导结构:SOI纳米线光波导和SU-8脊型光波导,在此基础上,对基于强限制光波导的小型化MRR及其热光特性进行了深入的理论和实验研究。集成光电子器件的理论基础是光波导电磁场理论及其数值计算方法。在此,给出了包括有限差分方法(FDM)、光束传输方法(BPM)及时域有限差分方法(FDTD)等的分析求解过程,并将其应用到光波导器件的分析研究中。本文利用分步FDTD方法对透镜光纤(TLF)与SOI纳米线光波导的端面耦合系统进行了分析:考虑到光纤的旋转对称性结构,我们采用旋转体FDTD方法对磨锥TLF和拉锥TLF的聚焦特性进行了分析,把三维问题转化为二维问题,节省了计算资源,提高了计算效率。计算结果表明拉锥TLF具有较强的聚焦特性,但是相对于磨锥TLF,其传输损耗比较大。因为SOI纳米线光波导不具备旋转对称性,所以对光纤-波导耦合系统的特性分析,我们使用了标准的三维FDTD方法。仿真结果显示拉锥TLF光斑小,与Si纳米线光波导的耦合效率高;但是耦合系统总的损耗(耦合损耗与TLF传输损耗之和)与磨锥TLF耦合时计算出的总的损耗相差不多。在热传导理论基础上建立了光波导的热学分析模型,提出了亚微米宽的新型热电极,并把它应用到SOI脊型纳米线光波导上。利用自建的热学分析模型,对该光波导结构进行了数值分析,并与传统的掩埋型光波导进行了热学性能的比较。结果显示,具有新型热电极的SOI脊型纳米线光波导结构所需电极功耗低,约为后者的1/10,响应速度快,约为后者的2倍。不仅如此,其加工工艺简单(仅需一次光刻工艺),制作成本可大大降低。在此基础上,我们对该光波导结构进行了光学性能优化,并利用MRR结构设计出一种超小型、低功耗(5mW)、大范围可调(20nm)的热光可调谐滤波器。对SOI超小型光波导器件的制作工艺进行了总结,并给出了新型热电极下的SOI脊型纳米线光波导热光器件的工艺流程。对SU-8脊型光波导(空气为波导的上包层)的制作工艺进行了研究,并对两种制作工艺(纳米压印技术和直接紫外光刻技术)进行了比较。后者工艺简单,对于我们设计的SU-8光波导结构(微米量级)仍然能够提供足够的工艺容差,因此本文中关于SU-8光器件的制作都是利用直接紫外光刻技术完成的,器件表征结果显示利用该技术能够制作出低损耗的SU-8光波导及器件,如小型化多模干涉(MMI)耦合器、MRR等。利用SU-8脊型光波导结构,通过在MMI区域引入二次曲线锥形结构,设计出一种基于GI(General Interference)干涉机制的小型化2×2 MMI耦合器,并利用直接紫外光刻技术,完成了该器件的制作,测试结果显示该器件具有损耗低、均匀性好、带宽大等优点。把小型化2×2锥形MMI耦合器引入到MRR耦合区,研制出了小型化的MRR器件,对其光学性能,包括光谱响应、偏振相关特性等进行了表征,并对其热光效应进行了实验研究,测试结果显示温度升高100℃,其谐振波长漂移量将超过10nm,该性质对于研制大范围可调谐的滤波器件十分有利。针对SU-8脊型光波导的强限制作用及MRR的谐振增强效应,我们对MRR的热光非线性效应进行了探索性实验研究,通过对测试结果的分析,我们得到了SU-8材料对红外光的吸收系数约为0.179 cm~(-1),为实现全光控制提供了一定基础。
杨波[5]2012年在《SU-8强限制光波导及其器件研究》文中提出随着光纤通信技术和光传感技术的快速发展,集成光子器件特别是集成光滤波器由于其低成本、高集成度等特点引起了广泛的关注。在LiNbO3、SiO2、 Si、InP和聚合物等各类集成光学材料中,聚合物材料在降低器件成本、减小器件损耗等方面有着巨大的优势。对于任何材料的集成光子器件,减小器件尺寸、提高集成度是一个长期的发展方向。强限制光波导是实现小型化集成光子器件的最为有效的方法。本文基于SU-8聚合物材料,对脊形光波导和悬挂式光波导两种强限制光波导,以及基于SU-8脊形光波导的小型化阵列波导光栅和微环谐振器进行了深入的理论和实验研究。回顾了光波导基本理论和几种常用的数值计算方法。首先介绍了求解平板波导的解析方法和求解条形波导的近似方法。为了精确求解复杂波导及其器件问题,必须采用数值模拟方法。对有限差分方法、光束传播方法和时域有限差分方法等几种常用的数值计算方法进行了介绍。研究了SU-8脊形光波导这种新型强限制光波导的导波特性。通过对整个工艺过程的调试,成功制作了SU-8脊形光波导。实验得到具有不同波导宽度的SU-8脊形光波导的传输损耗为0.24～0.15dB/mm。并且,验证了这种波导可承受75μm的弯曲半径,因此SU-8脊形光波导具有提高器件集成度的巨大潜力。基于SU-8脊形光波导,本文研究了阵列波导光栅(AWG)和微环谐振器(MRR)两种典型的集成光滤波器。首先对基于SU-8脊形光波导的小型化阵列波导光栅进行了设计制作。由于所用波导的强限制特性,研制出的AWG尺寸仅为基于传统掩埋型SU-8波导的同类器件的1/40,从而大大提高了器件集成度。通过选取合适的波导尺寸,成功消除了AWG的偏振相关性,使TE和TM模式的信道中心波长重合。热光调谐研究表明,所研制的AWG滤波器具有调谐效率高、大范围可调等优势。另外我们还研究了基于SU-8脊形光波导的微环谐振器。采用耦合区波导的宽度进行局部减小的设计,研制出了小型化MRR,并对其光谱特性进行了表征。为了进一步增加光场限制,减小波导的弯曲半径,提高器件集成度,我们对SU-8脊形光波导进行了结构改进。通过将SU-8脊形光波导的Si02下包层腐蚀掉,获得了在侧向和纵向都为强限制型的悬空波导,其弯曲半径可以小至7gm,比相应的脊形光波导小一个数量级。为了实现这种超高集成度的悬空型光波导,研制出低损耗(<0.1dB)的支撑臂结构。基于这种悬空型光波导制作出微盘谐振器,获得了较大自由光谱范围和高消光比的响应特性。
戴道锌[6]2005年在《陈列波导光栅的理论建模与优化设计及其实验研究》文中指出阵列波导光栅(AWG)是一种典型的集成型光波导器件,具有优越的性能和广泛的应用前景。本文对AWG的特性进行了深入研究,提出了新的有效数值模拟方法与优化设计,改进了AWG的性能,并完成了相关的实验和测试。 由于集成光波导器件的特殊性,数值模拟计算在器件的设计中占据非常重要的地位,建立有效可靠的模拟平台是一项非常关键的工作。本文首先介绍了光波导基本理论,总结了用于光波导模场分析的解析方法和数值方法。在均匀格点的基础上,给出了基于柱坐标的全矢量非均匀格点有限差分方法(FDM),并采用了完美匹配层(PML)边界条件。所得FDM公式具有通用性和统一性,可以衍生出多种特殊情形的FDM,如均匀格点FDM、直角坐标FDM等。因此几乎可用于所有复杂波导结构(包括弯曲波导)模式特性分析。给出了基于PML边界条件的二维/三维束传播方法(BPM),将柱坐标下的二维近轴BPM推广到广角BPM。基于这些数值方法对光波导的特性进行了研究:首先,利用FDM对硅绝缘体材料(SOI)脊型波导模式进行了研究,从而进一步确定了其单模条件中常数c的取值。其次,对SOI脊型波导的偏振特性进行了研究,对参数做了归一化,确定了无偏振结构相关参数(脊宽、脊高)的选取规则,为下一步设计偏振不敏感的SOI光波导器件奠定了一定基础。如何减小弯曲半径以提高集成度也是集成光波导器件的重要研究问题。通过研究多模弯曲波导的特性,本文提出了利用多模弯曲波导实现低损耗基模传输的方法,一定程度上减小了弯曲半径,能够提高集成度。 对AWG的模拟方法进行了总结和改进,提出了几种新的模拟方法。首先给出了基于高斯近似的简单模拟方法、基于直角坐标BPM的分区模拟方法。提出了基于柱坐标BPM的全局模拟方法,研究了输出波导弯曲部分对AWG频谱响应(尤其是旁瓣大小)的影响,并得到了实验结果的验证。发展了一种基于基尔霍夫衍射公式的AWG三维模拟方法,其中基尔霍夫衍射公式用于计算自由传输区(FPR)中的光场传播,并针对AWG的特殊结构,提出了一种精确的二维等效模型,克服了传统EIM的局限性。提出了一种结合三维BPM和二维基尔霍夫衍射公式的AWG三维精确模拟方法。对于输入FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用极坐标BPM,从而能够方便准确地计算出各阵列波导的耦合系数。而对于输出FPR和阵列波导的连接邻域内的模拟,采用常规直角坐标BPM进行模拟,且计算区域只仅需包含几条阵列波导,因此具有高效率的优点。利用以上几种模拟方法,本文分析了AWG特性:(ⅰ)利用高斯近似模拟方法研究了工艺误差对AWG器件性能的影响;(ⅱ)利用直角坐标BPM的分区域模拟方法研究了AWG中由于阵列波导之间耦合引入的位相畸变;(ⅲ)利用基于基尔霍夫衍射公式的3D模拟方法对SOI基AWG中FPR的多模效应进行了研究,并提出了减小多模效应的结构设计和方法。最后,提出了一种基于纳米Si波导的超小尺寸交叠式AWG结构,推导了确定阵列波导各参数的公式,并给出了设计布局图和模拟频谱响应图。
夏海廷[7]2017年在《数字全息的相位处理技术及其应用研究》文中研究表明随着计算机技术与光敏电子成像器件技术的进步,数字全息术在过去20年的时间里获得了快速的发展,已被广泛应用于三维显示、三维形貌测量和变形与应力分析等领域。数字全息所测量的物理量通常是由相位给出的,这就使得相位处理技术成为数字全息的一项关键技术,然而实际测量中噪声和位错等的存在,使得相位处理变得十分困难。本文对数字全息的相位处理技术进行了较深入的研究,并将数字全息干涉法应用于透明物体测量及材料损伤断裂分析,主要工作和结论如下:1.本文提出了两种相位解包裹算法,一种是改进的基于最小二乘和迭代的相位解包裹算法(PULSI),另一种是基于最小二乘、迭代和相位梯度校正的解包裹算法(CPULSI)。将两种算法应用于含有散斑噪声的模拟和实验相位图的解包裹,并与其他几种经典的相位解包裹算法进行对比,结果表明,PULSI算法在较低散斑噪声环境下的计算速度最快,而CPULSI算法在较高散斑噪声环境下的处理能力最强、计算精度最高,其计算速度也比其他几种适用于高噪声相位图的解包裹算法要快。2.针对含有较高散斑噪声的相位数据,本文提出了两种同时进行解包裹和降噪处理的方法,第一种是先用窗口傅里叶变换滤波对相位图进行降噪,再采用PULSI算法进行解包裹(WFTF+PULSI);第二种是先用CPULSI算法对相位图解包裹,再采用中值滤波对解包裹相位进行降噪(CPULSI+MedF)。应用数值模拟相位图和实验数据进行验证,结果显示,WFTF+PULSI方法的计算精度和计算效率都要优于CPULSI+MedF方法。3.针对相位图中存在的位错现象,本文提出基于二阶相位梯度对位错进行检测与掩模处理的方法,并结合PULSI算法和基于插值的图像修复算法对相位图进行恢复。将该方法应用于数值模拟相位图与全息流体测量实验数据的相位恢复,并与其它几种图像修复方法进行对比,证明了该方法具有较高的相位恢复精度和计算速度。4.针对相位图中同时存在高散斑噪声和位错的复杂情况,本文提出了一种鲁棒的处理方法:首先使用WFTF对相位图进行降噪处理,再应用二阶相位梯度对位错进行检测与掩模处理,然后用PULSI算法解包裹,最后采用插值方法对位错区域进行恢复(WMPI方法)。将该方法应用于模拟相位图的处理,并与其它几种方法进行对比,结果表明,对于同时含有较高散斑噪声和位错的复杂相位图,WMPI方法一种鲁棒的、高精度的、快速的相位恢复方法。5.将本文所提的相位处理方法应用于透射式数字全息干涉测量系统,实现了对带孔有机玻璃薄板的应力-光学常数、应力场和变形场的定量测量,与弹性力学经典理论解和已有文献结果进行对比,验证了该方法的可行性。6.应用该系统测量了硬质夹杂物的应力场和两个圆形空洞夹杂物之间的干涉应力场。实验结果表明,圆形硬质夹杂物与空洞夹杂物刚好相反,其应力集中区域出现在与加载方向平行的直径的两极,是易产生损伤的区域。该结果与Cu/WCp复合材料的SEM原位拉伸实验结果吻合较好。两个圆形空洞夹杂物之间的干涉应力场与夹杂物的分布形式有关,当夹杂物中心连线与加载方向垂直时,夹杂物之间的干涉使夹杂物中间出现高应力区,裂纹容易在空洞夹杂物之间产生,并连接两个空洞夹杂物。当夹杂物中心连线与加载方向平行时,两个夹杂物中间区域应力降低,而相对于单个空洞夹杂物和两个空洞夹杂物连线方向与拉力垂直的情况,最大拉应力也有所降低,对材料有保护作用。7.应用该系统测量了有机玻璃薄板内Ⅰ型裂纹尖端的应力场和应力强度因子KI,给出了测量应力强度因子KI的方法。应用CPULSI算法成功实现了对高散斑噪声相位图的解包裹,得到了裂纹尖端的应力场,并由应力场计算得到了不同载荷下的KI,所得结果与KI理论值进行对比,误差较小,证明了应用数字全息干涉法进行材料损伤断裂分析的可行性。
王敏[8]2011年在《数字散斑剪切干涉结构缺陷检测研究》文中提出结构缺陷包括结构表面的缺陷和结构内部的缺陷,表面的缺陷通常是可见的,易于观察和检测,而内部的缺陷却具有隐蔽性和危险性,其检测过程比较困难。目前国内外用于结构缺陷检测的方法如磁粉检测法、涡流检测法、超声检测法、X射线检测法等,已经在其适用范围内得到了广泛的应用,解决了许多实际问题,但在结构内部缺陷的定量研究上,国内外相关文献很少。因此研究开发出一种可以用于检测内部缺陷的方法,成为工程和技术界关心的课题。本文从现代光测力学、弹性力学以及有限元计算的角度,应用数字散斑剪切干涉法和相移技术对缺陷进行了研究和分析,得到了一些有价值的结果。将数字散斑剪切干涉法和相移技术应用于结构内部缺陷检测的研究,合理设计典型试件,运用不同的加载方式进行实验,比较了各种加载方法在实验过程中的优缺点,气压加载较易控制且稳定性好,因此选用气压加载的方法并设计了一种新型气压加载装置,运用数字散斑剪切干涉仪进行了一系列实验,并进行了数据分析,为实验的进一步开展奠定了基础,提出了改进建议。本文研究结构内部缺陷的检测方法,应用弹性薄板理论模拟含缺陷试件在载荷作用下的变形,该研究可用于当试件与缺陷覆盖层的厚度远小于其对应的直径的试件检测。将理论模型、数值模拟和实验研究三者结合在一起,各发挥所长,相互补充,使检测方法更有效。成功地运用数字散斑剪切干涉法离面位移导数测量系统和高质量的相移技术对含缺陷试件进行了受载变形检测,说明了数字散斑剪切干涉法对结构内部缺陷检测的可行性和突出优点。将数字散斑剪切干涉法应用于结构内部缺陷的检测,不仅为结构检测提供了新的检测方法,同时也拓展了数字散斑剪切干涉法实验力学的应用领域。
凤兰[9]2008年在《用有限差分光束传播法计算光波导横模》文中研究指明随着集成光学技术的发展,诸多具有不同结构,功能各异的光波导器件应运而生。单纯通过实验的方法来设计光波导器件不但费时而且费力,所以通过计算机辅助设计的方法对光波导器件进行预设计成为一种有效的手段。这种方法能直观完备地反映光波导器件的特性,准确快速地达到预期的设计要求。近几年来出现了一些分析集成光波导的数值分析方法,在这些数值分析的方法中,光束传播法是分析光波导器件的一种有效的方法。本文介绍了集成光学的现状及发展方向,以及光波导横模解析理论:三层平板光波导和光纤的模式理论,并在Maxwell方程的基础上,根据慢包络近似论,利用有限差分近似来代替偏微分方程,推导出了有限差分光束传播法(FD-BPM)计算所需要的公式,建立了FD-BPM在分析光波导横模时所需的理论模型,并利用FD-BPM分别计算了脊形光波导半导体激光器和变形光纤的横模分布,对m=0,1,2,3,4四种横模阶数的计算结果表明,脊形光波导半导体激光器在m=0的基横模工作时为最理想的模式,此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”状。这种光束的光束发散角最小、亮度最高,能与光纤有效地耦合,也能通过简单的光学系统聚焦成最小的斑点,这对激光器的应用是非常有利的。在m≥1高阶模工作时出现轴对称的大小相同的光斑,光束的光束发散角较大,有源区的光强减弱,不能将这种高阶模的激光光束聚焦成较小的光斑,这将影响与光纤高效率的耦合。对变形光纤的计算表明,FD-BPM方法对复杂变形光波导横模的计算非常方便有效。
余湛[10]2010年在《基于液晶空间光调制器光束整形的理论算法和实验研究》文中研究说明激光器输出的光束通常具有特定的强度分布,然而这样的光强分布在实际应用中常常影响系统的能量利用效率。为了提高激光束的利用效率,常常需要将激光输出的光强分布整形为特定的光强分布。本文采用物理光学方法,基于纯相位液晶空间光调制器,对光束整形进行了理论算法和实验方面的研究,主要内容包括以下几个方面:1、介绍了常用的光束整形方法,包括利用几何光学方法进行光束整形的双折射透镜组,利用物理光学方法进行光束整形的二元光学元件、随机相位板、液晶空间光调制器等,论述了采用液晶空间光调制器进行光束整形的优势。2、从亥姆霍兹方程和标量衍射理论出发,描述了采用物理光学方法实现光束整形的数学模型,论述了光束整形的物理本质,并为算法研究奠定了理论基础。3、介绍了用于光束整形的GS算法、模拟退火算法,分析了这两种算法的原理、算法结构和运算步骤。在此基础上,提出了两种算法改进:一种是融合GS算法和模拟退火算法,提出了GSSA算法;一种是从实验验证和实际应用出发,提出了一种结合Zernike多项式的模拟退火算法。4、对常用的光束整形算法进行了数值模拟和算法比较。采用GS算法和结合Zernike多项式的模拟退火算法,数值模拟计算了将高斯光束光强分布分别整形为超高斯光强分布、方形平顶光强分布、超高斯空心光强分布,以及将超高斯空心光强分布整形为超高斯实心光强分布的各种情形,并对计算结果进行了分析。对GS算法、模拟退火算法、GSSA算法在收敛精度和运算时间上进行了比较。5、基于液晶空间光调制器,搭建了一套自适应的闭环光束整形系统,采用结合Zernike多项式的模拟退火算法,进行了光束整形的实验研究。将实验结果与模拟计算结果进行了比较,验证了算法应用于实际光束整形的可行性。综上,本文着眼于光束整形的理论算法和实验研究,论述了光束整形的基本原理、光束整形算法的相关理论。在讨论光束整形的理论基础和传统算法的基础上,提出了两种改进算法,并对算法的整形效果进行了模拟计算,采用结合Zernike多项式的模拟退火算法进行了光束整形实验研究。论文的研究对改善光束近场强度分布,推动光束整形技术的发展具有重要意义,在提高高能激光光束质量等方面有重要应用前景。
参考文献：
[1]. 光波导数值模拟及实验研究[D]. 柴立群. 电子科技大学. 2000
[2]. SOI脊形光波导损耗研究[D]. 刘军. 国防科学技术大学. 2010
[3]. 基于软光刻法的新型Y分叉光功率分配器[D]. 楼歆晔. 浙江大学. 2006
[4]. 基于强限制光波导的微环谐振器及其热光特性研究[D]. 杨柳. 浙江大学. 2009
[5]. SU-8强限制光波导及其器件研究[D]. 杨波. 浙江大学. 2012
[6]. 陈列波导光栅的理论建模与优化设计及其实验研究[D]. 戴道锌. 浙江大学. 2005
[7]. 数字全息的相位处理技术及其应用研究[D]. 夏海廷. 昆明理工大学. 2017
[8]. 数字散斑剪切干涉结构缺陷检测研究[D]. 王敏. 南京航空航天大学. 2011
[9]. 用有限差分光束传播法计算光波导横模[D]. 凤兰. 内蒙古大学. 2008
[10]. 基于液晶空间光调制器光束整形的理论算法和实验研究[D]. 余湛. 国防科学技术大学. 2010