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衍射光学光束整形技术

1.痛点问题激光广泛应用在制造、传感、医疗、科研、军事等诸多领域。对不同应用，除功率、波长、模式等有不同要求外，对激光光斑形状也逐渐提出整形要求，以适应性能不断提高的制造、传感等需求。例如在激光焊接、激光退火、激光剥离等需要圆形、矩形（方形）、线形且平顶分布的光斑；在激光打孔、激光切割等需要轴向多焦点、长焦深分布的光斑；在激光热负荷模拟或激光热处理中，需要特定形状和光强分布的光斑以匹配复杂零件并模拟实际工况等。衍射光学是实现光束整形的重要技术手段，但在国内尚未广泛应用，例如在激光制造领域，大多系统直接利用激光聚焦光斑，少部分利用微透镜阵列、微柱镜阵列等折反射器件进行光束整形，但这种方案所能实现的光束整形通常是产生圆形、方形或矩形光斑，不能实现任意形状的光斑。此外，整形光斑边缘较为平缓不够陡峭，平顶性能不够好，存在较大的光强起伏；受限于设计与制造，按照传统方法设计，衍射光学整形光斑尺寸受限，通常包含大量散斑，且存在明显的中心零级等，或者减小线宽至数个波长以产生大角度光束整形光斑，但数个波长的线宽无法利用国产设备进行制造。 2.解决方案本成果的衍射光学器件（DOE），是基于光的标量衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯位相、同轴再现、具有高衍射效率的一类光学器件。利用衍射光学器件已实现了诸多功能，包括光束整形、点阵产生（包括大角度、超分辨等）、长焦深（包括中空、轴上多焦点）等，为激光制造、三维测量、超分辨显微成像、流式细胞仪等系统提供新颖解决方案。创新性地采用球面波入射（或折衍混合）、特定振幅相位约束等方法，扩大了有效衍射场，对入射波前畸变、加工误差不敏感；抑制了散斑，提高了光束整形性能，提升了数字全息显示的分辨率；实现了大角度任意点阵、白光点阵等；实现了不同排列形状的超分辨点阵；实现了多种长焦深、中空长焦深、轴上多焦点等轴向光场分布。 3.合作需求以专利许可、技术转让、技术入股等方式进行合作，特别是具有国内高端激光制造设备公司相关资源的优先考虑，确定应用场景，研制衍射光学光束整形器件、模组和系统。

清华大学 2023-01-06