1.1 选题目的及意义

衍射光学是现代光学研究的一个新方向。在半导体激光束聚焦技术、光学信息存储、记录和处理、光学互连、多通道光学信息处理系统及多目标图像识别系统等领域，都需要长焦深、多焦点的衍射元件，以得到特定的光场分布，又能用于特定仪器结构和探测的需要。衍射光学器件以其集多种光学功能于一体和可大量复制等优点，成为实现长焦深、多焦点的有效方法之一。

衍射光学元件是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并利用超大规模集成电路制作工艺，在基片上或传统光学器件表面产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。这一定义清楚地阐明了衍射光学的理论基础、元件的制作方法、结构特点以及实际应用中所表现出的优势。二元光学元件是纯位相型同轴浮雕式衍射光学元件，并以多台阶位相结构来近似连续浮雕结构，同时在制做时，利用计算机设计和超大规模集成电路制作工艺等技术生产的一种高效率的新型功能元件。但在许多实际应用中要求衍射光学元件在有限距离成像，有些场合为了仪器结构和探测的需要，还需设计多焦点衍射元件。

从世纪九十年代到现在，多焦点衍射元件经过十几年的发展，无论在基础理论研究方面，还是在计算机模拟、设计手段方面都有了很大的进步，并且随着理论研究的进一步深入，设计手段进一步完善，将在半导体激光器，信息存储、光学互连，长距离的准直，多通道光学信息处理系统及多目标图像识别系统等领域，有着更为广泛的应用。制作多焦点器件的方法很多，微光学元件由于其体积小、质量轻、造价低、设计灵活、便于集成、易于复制等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能，成为当前多焦点器件制作方法中研究的一个热点。微光学元件根据浮雕的结构和形状可以分为两大类连续浮雕型衍射光学元件和台阶型衍射光学元件又称为二元光学元件，其中台阶型衍射光学元件根据台阶的数目又可以分为两台阶型衍射光学元件和多台阶型衍射光学元件。另外，衍射光学元件的制作方法很多，能否找到一种制作工艺简单、制作周期短、加工成本低，且所制作的衍射光学元件具有较高的衍射效率和光学性能，已经成为当前国内外研究的一个热点。

1.2 国内外研究现状

多焦点衍射光学元件属于纯位相型衍射光学元件，关于其设计方法目前国内外已经发展了很多种优化算法。在国内，早在上世纪八十年代初，中国科学院物理研究所杨国祯和顾本源提出任意线性变换系统中振幅一相位恢复的一般理论和杨一顾（Y-G）算法，并且成功用于解决多种实际问题和变换系统中。1994年北京邮电学院应用科技系施文敏和龙品等人利用基模拟退火算法设计了新型的具有多重焦点的波带透镜，这类多焦点带透镜不同于菲涅耳波带片，不仅其焦点的个数和位置可以任意规定，而且各焦点的衍射效率和相对光强也可作人为选择。他们给出了一个各焦点衍射效率近似均等的三焦点波带透镜和一个具有三个等光强焦点的波带透镜的设计及其设计数据，并对各个焦点的衍射效率、分辨率和各焦平面的相对光强分布进行了分析。这类新颖的多焦点波带透镜可提供某些特定的光场分布。

1995年南京大学物理系任朝红章程军和周进等人用两个相同的特殊栅格叠加产生似波带板的莫尔条纹，通过改变两栅格的相对位置获得变焦距的特性，用微电子的缩微和光刻技术制成了焦距可变的位相型衍射光学透镜，该器件最大焦距为最小焦距的一百多倍，可用于长距离系统的准直，克服了一般准直装置中不能调节焦距和精度不高的缺点。该器件是经过一次位相量化的光刻蚀版，最高衍射效率为，如果对其进行三次位相量化或更高，其衍射效率可以提高到以上，这样可以代替那些像质要求不太高的变焦距系统，使整个系统小型化和轻型化，并降低系统的成本。2000年中国科学院研究生院物理学部陈岩松、张静娟和鲍乃铿等人提出一种串行迭代算法，将它用于控制波前传播进行衍射光学元件设计。用此算法设计出能使半导体激光束聚焦并具有长焦深功能的衍射光学元件。2002年第二炮兵工程学院物理室王红霞、何俊发和赵选科等人利用全息方法通过一次曝光制作出多焦点的全息透镜，分析了用此全息元件实现这种变换的条件，并在实验上实现了多重谱分数傅里叶变换。用焦距为的四焦点全息透镜对物体进行不同阶多重谱分数傅里叶变换，实验结果表明，用多焦点全息透镜产生多重谱分数傅里叶变换是可行的，由它产生分数傅里叶变换的多谱结构，可广泛应用于多通道的光学信息处理系统中。关于多焦点衍射光学元件设计的优化算法，国外也提出了许多优化算法，如直接二元搜索法（DBS）、迭代傅立叶算法（IFTA）、模拟退火算法（SA）和遗传算法等。其中模拟退火算法和遗传算法由于其独特的寻优特性，已被广泛应用到诸多领域。2004年捷克的马来克等人用IFTA和DBS方法设计制作了纯位相型多焦点衍射元件，文中给出了设计方法，对制作系统的软硬件也进行了介绍，并用实验验证了设计方法的正确性。目前，国外的MensOptical和Heptagon等公司，已经能够设计制作Microlens Arrays， beam shapers， beam-uniformer， Diffusers和Collimated Fiber Arrays等衍射器件。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本次课题设计的内容是针对并行对点加工和垂直多焦点激光加工的需求，设计基于衍射光学元件的多焦点激光聚焦元件。用于产生激光聚焦多焦点的光学系统大致由4个部分组成，分别为激光发生器、衍射分光元件、物距调节模块和聚焦模块。光学系统的模块框图如图1所示。