具有特殊衍射强度分布的二元位相光栅设计

　　1　引　言

　　高功率激光材料加工在工业领域中得到了广泛的应用。其中,在金属表面的激光改性过程中通常对激光束提出特定强度分布的要求,而采用普通的光学聚焦系统将很难实现[1]。从我们的实验结果看,使用衍射光学元件把激光束变换成点阵或网格状分布进行金属表面的激光热处理,可以同时提高金属表面的力学性能和处理速度。而制造误差会影响元件的衍射效率、各衍射级的相对光强分布和零级光的强度。在实际应用中,强的零级光强分布是最大的影响因素,有可能导致金属表面局部过度处理而损坏。为了使光束变换后的强度分布既满足表面处理的相变要求,又不能使金属表面出现熔化和气化现象,零衍射级的强度必须控制在一定的范围。我们设计了去除强衍射零级的元件。此外,根据金属模具材料表面处理的不同要求,还设计了强度间隔缺级分布的衍射元件。

　　在设计和计算阶段考虑了衍射效率、相对光强分布和中央零级的消除。中央零级低输出设计可补偿因加工误差引起的零级增强,而间隔缺级的元件可获得大的单次加工面积。在衍射光学元件设计中采用的各种迭代算法中(例如Gerchberg-Saxton(G-S)算法,Yang-Gu(Y-G)算法,模拟退火法(SA)和基因遗传算法等)[2],我们采用了模拟退火法来进行元件的设计。设计过程和结果对进一步扩展二元光学元件的应用领域具有重要意义。本文利用柔性传输多轴联动激光加工装置[3]进行了应用实验,并给出了几个金属表面处理的应用实例。

　　2　基本原理

　　2.1　Dammann光栅

　　衍射光栅的工作原理是以光的衍射理论为基础,通过对光波前的调制,叠加成为所需要的振幅和位相分布。由于Dammann位相光栅制造简便和较高的衍射效率,近年来得到了广泛的应用。这是一种两台阶的二元位相光栅,只需要单模板一次刻蚀加工,从而避免了模板套刻的对准误差。但位相突变点位置误差和刻蚀深度引起的位相误差,会使Dammann光栅的中央零级明显较强。我们所设计的二维Dammann光栅中,其零级的光强比其他级的平均光强有相当大的减少并在金属表面激光改性中获得理想的应用效果。

　　2.2　模拟退火法

　　1953年,Metropolis等使用蒙特卡洛方法模拟一个多原子系统,这个系统的能量随着温度逐渐下降到零度能达到全局的最小值。1982年,Kirkpatrick等提出一种对Metropolis算法进行迭代的组合优化算法,这种搜索算法就被称为模拟退火法[4]。模拟退火法是一种类似于寻找复杂物理系统的低能态的优化算法。它的特点是能够避免陷入能量较高的局部极值,减慢降温速度可以使系统有可能跳出局部极值点。在模拟退火法的实际应用中,如何确定评价函数和降温方式是问题的关键。评价函数主要是考虑两个因素的协调,即衍射效率和光强值对目标值的偏离。系统的能量评价函数可定义为E,给定温度值,并改变单元取值,然后计算系统的新的能量值E′,如果E′< E,则接受单元值的改变;如果E′> E,则以一定的概率接受单元值的改变。