基于DOE的激光工程系统设计

随着激光工程在越来越多领域的应用，激光器需要适应不同的工程要求，对激光束整形的研究也应运而生。近年来，人们对DOE光场整形的研究不断深入。从理论上讲，DOE可以在实际物理条件允许的范围内，对任意光束的光场进行变换，得到想要的任意光束。

一、设计原则

基于DOE的打标光场整形系统的功能结构主要包括预整形系统和DOE整形系统，如图1所示。该系统通过双镜组预整形系统减小入射光的发散度，通过DOE整形系统的后调制实现固定距离的远距离场成像。利用优化的平滑算法计算DOE，得到成像均匀性和成像强度的最优解。

图1

增加预整形系统的目的是减小激光的初始发散角，在整形前对光束进行准直。减小光束的发散角将使DOE整形后的最终整形光场的光斑更加会聚，光场的均匀性更高。预成型系统采用双透镜组结构。与镜筒或锥透镜相比，这种结构成本低，但效果是一样的。

二、预成型系统设计

双反射镜预整形系统可以减小激光束的发散角。选择负前透镜组，使系统更紧凑，后透镜组为正透镜组。系统的角度放大率如下:

表1

从表1可以看出，最终设计的预成型系统结构小巧紧凑，有效减小了整个系统的体积。对于整个系统来说，采用上述结构的预整形系统大大优化了DOE子系统的预整形环境，预整形后的光束不仅对光束进行了扩展和准直，还进一步减小了发散度，可以使最终整形后的光场的光痕光斑更加会聚和密集。

三.DOE设计的算法描述

基于DOE的标记光场整形系统，根据参数，属于远距离大光场的光束整形。特别是应用于大光场的主动照明和光识别，要求整形后的光场图案清晰、能量转化率高。但考虑到长距离整形，非现场噪声对整形器的应用影响不大，噪声束会随着距离的增加而严重衰减。因此，在设计DOE时，应选择在期望光场中具有足够高均匀性的优化算法。

为了提高信号窗口内输出光束的均匀性，长距离大光场DOE整形成像不需要考虑场外噪声的影响，DOE的设计采用了优化的二次平滑校正方法。

四.仿真和实验结果及分析

1.仿真结果与分析

输入光束的波长为532nm，直径为2mm，成像场距离聚焦透镜1m。预计将获得360毫米×288毫米的矩形光场。DOE阶为4，预整形系统得到的直径为0.4mm，以常见的室内大气环境为外部环境。计算了500个初始相位，衍射光场采样点数为429× 333。G-S算法和二次循环平滑校正方法分别用于1000次迭代。

最后计算出GS算法的成像光场均匀性为10.8%，能量损失率为5.2%。采用优化的平滑校正算法，成像光场的非均匀性为1.09%，能量损失率为8.31%。

2.实验结果和分析

根据计算结果，制作光学系统的部件，组成光学系统，如图9所示。将基于DOE的标记光场整形系统置于暗室中进行系统检测实验。由于成像视场大，成像面直接在墙上成像，采用1300万像素摄像头进行数据采集。激光器采用国内常用的532nm激光标记器，光束直径2mm，初始光束直径1mm。

通过实验，验证了基于DOE的标记光场整形系统达到了预期的设计指标。它可以将532nm激光在1米距离处形成360mm×288mm的光场，成像光场能量转化率为90.92%，成像均匀性为97.23%。满足均匀度大于97%和能量转化率大于90%的指标。实践证明，所选光学系统模型和所提出的二次循环平滑校正算法是一种很好的长距离光场整形新设计方法，可应用于实际工程实践。