设计了一种用于产生多轴非对称结构光束的新型多轴非对称指数型锥器件,器件由非对称结构和多轴结构复合而成。利用理论计算、数值模拟和实验测量方法,验证了多轴非对称结构光束在传播过程中会产生多个焦点并且具有独特的能流特性。利用这一特性设计并开展了利用聚焦多轴非对称结构光束操控聚苯乙烯荧光微球的实验,结果表明,多轴非对称结构光束使得聚苯乙烯微球在被捕获过程中表现出“加速-减速-再加速”的运动规律,与模拟计算结果一致。多轴非对称指数型锥器件及其产生的多轴非对称结构光束在药物传输、微粒筛选等领域中有着重要的应用价值。

提出一种通用的抛物带式矩形光斑积分镜,建立了分段抛物线匀化模型,推导了满足超精密车削加工的分段抛物线方程。该积分镜解决了传统直线带式积分镜在积分方向上匀化宽度太小的问题,可获得远大于输入光斑直径的匀化宽度,同时分析了该积分镜分割段数对输出光斑均匀性的影响。利用高斯光束行波传输方程,计算回转方向上的离焦光斑尺寸,解决了采用几何光学方法获得离焦光斑尺寸误差大的问题。设计了输出光斑尺寸分别为100 mm×3.2 mm和14 mm×3.3 mm的积分镜,采用Zemax和SolidWorks软件进行仿真,仿真得到的光斑尺寸分别为100.2 mm×3.2 mm和14.2 mm×3.3 mm。加工了14 mm×3.3 mm的积分镜,在3 kW光纤激光器上进行实验,测得的光斑尺寸为14.3 mm×3.3 mm,匀化方向均匀性为90%,满足激光加工应用要求。

为了实现高斯圆斑向平顶线斑的转化, 提出了一种用于高斯光束整形的三反射镜光学系统。利用环形面对两个相互垂直方向的光线会聚、发散作用不同, 标准球面具有旋转对称性质, 以及二次曲面系数、非球面系数可以实现高斯分布转化为平顶分布的原理, 采用ZPL语言与自动优化结合的方法完成了系统设计。设计得到了一个方向平顶的矩形光斑以及平顶线斑, 整形效果良好, 并结合在光学相干层析(OCT)系统中对样品照明或扫描的实际要求, 通过小角度(±2°)旋转系统第一个反射镜对所得线斑进行扫描, 在扫描角度内可以实现线性扫描(扫描范围约为10 mm×11 mm)。结果表明, 该三反射镜系统满足轻量化、结构紧凑、不受工作波长影响的要求, 是一种可行、有效的方案。

设计了一块球面-非球面柱透镜,用于将高斯圆斑整形为平顶线斑。通过编写Zemax编程语言批量添加操作数与设置默认优化函数优化结合的方法完成设计,并与性能参数相同的非球面透镜-柱透镜组进行比较,同时分析了球面-非球面柱透镜最后一面到像面距离的不同对线斑长宽比和平顶度的影响。与非球面透镜-柱透镜组相比,线斑尺寸相同但平顶度一般(边缘处约下降10%),在一定范围内调整最后一面到像面的距离可使平顶度变好(可达到90%),但会使长宽比变小(由88.33降至20.38)。所得结果表明,若要获得能量均匀分布的线斑,在长宽比可调整的范围内,球面-非球面柱透镜的设计可以简化光束整形系统结构,满足轻量化的要求,是一种可行的方法。

提出了基于迈克耳孙干涉仪的扫频线聚焦光学相干层析(OCT)系统的光学设计。在照明系统中引入非球面光束整形透镜组,并利用柱透镜组使光束在样品处实现线聚焦,从而减少系统的扫描维数,达到高速成像的目的。调整非球面整形透镜组的参数以实现高斯光束的整形。在投影系统中,对近红外波段选取不同材料组合以达到消色差目的,完成了两种投影系统的设计,远心光路的结构减小了系统的误差。在Zemax非序列中,将参考臂和样品臂通过分束镜并进行光线追迹,验证了该OCT系统具备干涉能力。结果表明,设计的OCT系统能够实现高速、高品质成像。

为了改善半导体激光光束质量,使其能够满足大距离高精度干涉测量的要求,使用空间光调制器对半导体激光光束进行整形,提出了一种基于复振幅调制算法的光束整形方法。利用该方法可将半导体激光光束整形为准直性好、光强分布均匀的无像散基模高斯光束。通过光束质量分析对整形后的光束进行评估,实验结果显示整形后半导体激光光束在x和y方向的M²因子均趋于1,像散接近于0,验证了该光束整形方法的有效性。将提出的半导体激光光束整形方法应用于大距离干涉测量中,在8 m处进行了微米级步进位移测量,与纳米位移工作台相比,所得结果达到了亚波长的测量精度。实验结果表明整形后的光束能够满足大距离高精度干涉测量的要求,验证了提出的半导体激光光束整形方法的可行性。

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法，这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程：1）设计初始结构，以准直激光光束作为输入光束，采用能量网格划分法，设计自由曲面整形透镜，将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构；2）逆向反馈优化法，以带有一定发散角的光束作为输入光束，用上一步获得的透镜作为初始结构，采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法，以束腰为10 mm，发散半角为2.5°的发散激光光束为例，将其整形为40 mm×40 mm的方形光束，辐射照度均匀度达到了90.4%。最后，对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明：透镜表面面形误差在±5 μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响；透镜安装时，纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小，横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。

为了提高激光表面硬化的加工效率，可采用线状点阵分布光束取代原始单点高斯分布光束作为加工光源。利用均匀采样的Dammann光栅设计了线状点阵分布整形光束，对比了三种评价函数参数修订下的设计输出，其中一种修订方法得到较均匀输出，其他两种修订方法得到低零级的输出结果。设计并制作了一种非均匀线状多点阵分布整形光束用于实际表面硬化，得到的加工效果与设计要求相一致。

为了将椭圆高斯光束整形为圆形平顶光束, 设计了一种无中心遮拦反射式两镜整形系统。根据能量守恒思想, 选择匀化洛伦兹函数作为出射光束平顶分布函数, 建立了入射面和出射面之间的坐标变换关系; 采用光程守恒原理和矢量形式的反射定律, 推导了积分形式的整形系统两反射镜面形方程。利用数值解法计算出两反射镜的面形数据, 经过光学设计软件仿真与系统参数分析, 得到的圆形平顶光束在目标区域的照度均匀性大于95%。结果表明, 这种整形系统可以明显提高椭圆高斯光束的平顶性, 具有现实可行性。