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衍射光學光束整形技術

1.痛點問題激光廣泛應用在制造、傳感、醫療、科研、軍事等諸多領域。對不同應用，除功率、波長、模式等有不同要求外，對激光光斑形狀也逐漸提出整形要求，以適應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、長焦深分布的光斑；在激光熱負荷模擬或激光熱處理中，需要特定形狀和光強分布的光斑以匹配復雜零件并模擬實際工況等。衍射光學是實現光束整形的重要技術手段，但在國內尚未廣泛應用，例如在激光制造領域，大多系統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行光束整形，但這種方案所能實現的光束整形通常是產生圓形、方形或矩形光斑，不能實現任意形狀的光斑。此外，整形光斑邊緣較為平緩不夠陡峭，平頂性能不夠好，存在較大的光強起伏；受限于設計與制造，按照傳統方法設計，衍射光學整形光斑尺寸受限，通常包含大量散斑，且存在明顯的中心零級等，或者減小線寬至數個波長以產生大角度光束整形光斑，但數個波長的線寬無法利用國產設備進行制造。 2.解決方案本成果的衍射光學器件（DOE），是基于光的標量衍射理論，利用計算機輔助設計、并用大規模集成電路制作工藝，在基片上(或傳統光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮雕結構，形成純位相、同軸再現、具有高衍射效率的一類光學器件。利用衍射光學器件已實現了諸多功能，包括光束整形、點陣產生（包括大角度、超分辨等）、長焦深（包括中空、軸上多焦點）等，為激光制造、三維測量、超分辨顯微成像、流式細胞儀等系統提供新穎解決方案。創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，擴大了有效衍射場，對入射波前畸變、加工誤差不敏感；抑制了散斑，提高了光束整形性能，提升了數字全息顯示的分辨率；實現了大角度任意點陣、白光點陣等；實現了不同排列形狀的超分辨點陣；實現了多種長焦深、中空長焦深、軸上多焦點等軸向光場分布。 3.合作需求以專利許可、技術轉讓、技術入股等方式進行合作，特別是具有國內高端激光制造設備公司相關資源的優先考慮，確定應用場景，研制衍射光學光束整形器件、模組和系統。

清華大學 2023-01-06

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