利用光学自由曲面精准调控光束

根据所调控光束的光学扩展量大小不同，自由曲面光束调控可分为零扩展度光束调控和非零扩展度光束调控。零扩展度光束调控假定光束的光学扩展量为零，曲面上每一点只有一条光线经过。扩展光源可视为由无数个理想光源构成，在非零扩展度光束调控中，曲面上每一点有无数条光线经过。零扩展度光束调控是非零扩展度光束调控的基础，当光源发光面尺寸较小（满足五倍法则）或光束发散角较小，光束光学扩展量对光束调控所产生的影响可以忽略不计时，采用零扩展度光束调控不仅可极大简化设计过程，还可获得较好的光束调控效果。因此，当前大部分自由曲面光束调控研究工作集中于零扩展度光束调控。

自由曲面零扩展度光束调控方法主要包括光线映射法（Ray Mapping）、Monge-Ampère（MA）方法和支持二次曲面法（Supporting Quadric Method）。在这三类方法中， MA方法由于可自动满足曲面连续性条件，获得连续易加工的自由曲面；无需预先指定光线落点位置，通过控制曲面的高斯曲率分布，便可实现对光束传输的高效灵活调控，这被誉为是当前最先进的满足可积分条件的自由曲面设计方法。图1给出了MA方法对应的光束调控模型。

垂轴光路布局要求观测平面与系统光轴垂直，这无疑严重阻碍了自由曲面光束调控的广泛应用。针对自由曲面光束调控的这一技术瓶颈，课题组将观测平面的空间位姿纳入光束调控，建立了可准确实现三维空间任意光分布的自由曲面光束调控方法，打破了自由曲面光束调控的垂轴光路制约，获得了灵活的系统光路布局。图3采用自由曲面对LED的出射光束强度进行调控，在三个相互垂直的目标平面上产生了预定的辐射照度分布。

图3 大倾斜光路自由曲面光束强度调控

在自由曲面光束强度调控的基础上，课题组进一步将等光程约束纳入光束调控，建立了双自由曲面光束强度与波前调控方法，同时实现了对光束强度与波前两个属性的灵活高效调控。图4采用双自由曲面调控入射光束的强度和球面波前，实现了的预定出射平面波前和强度分布。图4（d）和4（e）分别是透镜的入射面和出射面，图4 （f）和4（g）分别是入射面和出射面的高斯曲率分布；图4（h）给出了实际出射波前与目标平面波前之间的光程差，平均光程差为0.0315λ（λ=546.1nm）；出射光束在30mm处观测平面上产生的辐射照度分布如图4（i）所示。

吴仍茂，浙江大学特聘研究员，国家优青获得者。长期从事自由曲面光束调控的研究工作，在包括Optica、Laser & Photonics Reviews、Optics and Lasers in Engineering、Optics Letters等国际光学期刊上发表SCI论文50余篇。获美国光学学会Kevin P. Thompson光学设计创新奖、阿里达摩院青橙奖、中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖等。目前担任《Optics Express》杂志的副主编，以及《激光与光电子学进展》、《红外与激光工程》、《光子学报》杂志的青年编委。

科学校对 | 吴仍茂