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衍射光學(xué)光束整形技術(shù)

1.痛點(diǎn)問(wèn)題激光廣泛應(yīng)用在制造、傳感、醫(yī)療、科研、軍事等諸多領(lǐng)域。對(duì)不同應(yīng)用，除功率、波長(zhǎng)、模式等有不同要求外，對(duì)激光光斑形狀也逐漸提出整形要求，以適應(yīng)性能不斷提高的制造、傳感等需求。例如在激光焊接、激光退火、激光剝離等需要圓形、矩形（方形）、線形且平頂分布的光斑；在激光打孔、激光切割等需要軸向多焦點(diǎn)、長(zhǎng)焦深分布的光斑；在激光熱負(fù)荷模擬或激光熱處理中，需要特定形狀和光強(qiáng)分布的光斑以匹配復(fù)雜零件并模擬實(shí)際工況等。衍射光學(xué)是實(shí)現(xiàn)光束整形的重要技術(shù)手段，但在國(guó)內(nèi)尚未廣泛應(yīng)用，例如在激光制造領(lǐng)域，大多系統(tǒng)直接利用激光聚焦光斑，少部分利用微透鏡陣列、微柱鏡陣列等折反射器件進(jìn)行光束整形，但這種方案所能實(shí)現(xiàn)的光束整形通常是產(chǎn)生圓形、方形或矩形光斑，不能實(shí)現(xiàn)任意形狀的光斑。此外，整形光斑邊緣較為平緩不夠陡峭，平頂性能不夠好，存在較大的光強(qiáng)起伏；受限于設(shè)計(jì)與制造，按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，衍射光學(xué)整形光斑尺寸受限，通常包含大量散斑，且存在明顯的中心零級(jí)等，或者減小線寬至數(shù)個(gè)波長(zhǎng)以產(chǎn)生大角度光束整形光斑，但數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的線寬無(wú)法利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行制造。 2.解決方案本成果的衍射光學(xué)器件（DOE），是基于光的標(biāo)量衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、并用大規(guī)模集成電路制作工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，形成純位相、同軸再現(xiàn)、具有高衍射效率的一類光學(xué)器件。利用衍射光學(xué)器件已實(shí)現(xiàn)了諸多功能，包括光束整形、點(diǎn)陣產(chǎn)生（包括大角度、超分辨等）、長(zhǎng)焦深（包括中空、軸上多焦點(diǎn)）等，為激光制造、三維測(cè)量、超分辨顯微成像、流式細(xì)胞儀等系統(tǒng)提供新穎解決方案。創(chuàng)新性地采用球面波入射（或折衍混合）、特定振幅相位約束等方法，擴(kuò)大了有效衍射場(chǎng)，對(duì)入射波前畸變、加工誤差不敏感；抑制了散斑，提高了光束整形性能，提升了數(shù)字全息顯示的分辨率；實(shí)現(xiàn)了大角度任意點(diǎn)陣、白光點(diǎn)陣等；實(shí)現(xiàn)了不同排列形狀的超分辨點(diǎn)陣；實(shí)現(xiàn)了多種長(zhǎng)焦深、中空長(zhǎng)焦深、軸上多焦點(diǎn)等軸向光場(chǎng)分布。 3.合作需求以專利許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)入股等方式進(jìn)行合作，特別是具有國(guó)內(nèi)高端激光制造設(shè)備公司相關(guān)資源的優(yōu)先考慮，確定應(yīng)用場(chǎng)景，研制衍射光學(xué)光束整形器件、模組和系統(tǒng)。

清華大學(xué) 2023-01-06

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