華中科大課題組在自由曲面光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

日前，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院秦應(yīng)雄教授和唐霞輝教授課題組在反射式自由曲面光場(chǎng)調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于積分原理的自由曲面反射鏡創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，能將入射光源轉(zhuǎn)換為任意指定的強(qiáng)度分布，與傳統(tǒng)自由曲面不同之處在于，該方法對(duì)入射光源參數(shù)（光斑大小、幾何形狀、能量分布和波長(zhǎng)范圍）波動(dòng)不敏感，設(shè)計(jì)的自由曲面子區(qū)域邊界連續(xù)，方便超精密加工制造，在定域激光加熱和定域激光照明等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以“Incidence-insensitive freeform reflector for arbitrary distributions”為題，發(fā)表在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)旗艦期刊《Optica》上。 :F pt>g  
自由曲面光學(xué)元件憑借高設(shè)計(jì)自由度、優(yōu)異性能及靈活性，已成為成像、測(cè)量、照明等領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)。然而，傳統(tǒng)自由曲面設(shè)計(jì)方法多依賴(lài)預(yù)設(shè)光源與目標(biāo)場(chǎng)的固定映射關(guān)系，對(duì)入射光的微小波動(dòng)（如光束尺寸、能量分布、波長(zhǎng)變化及幾何偏移）表現(xiàn)出高敏感性，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中目標(biāo)光強(qiáng)分布偏差顯著，嚴(yán)重制約了其在高精度光學(xué)系統(tǒng)中的可靠性。現(xiàn)有的自由曲面設(shè)計(jì)方法中，微透鏡陣列和反射式積分鏡也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光源參數(shù)不敏感的光束整形，然而微透鏡陣列只能生成矩形或六邊形一類(lèi)的簡(jiǎn)單形狀的光斑，而反射式積分鏡只能生成一維條形光斑或非常小尺寸的矩形光斑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定域的任意光強(qiáng)分布輸出。因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光變化的 “魯棒性調(diào)控”，成為制約自由曲面光學(xué)從理論設(shè)計(jì)走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。 P5`BrY,hZ  
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將光束積分理念與自由曲面設(shè)計(jì)融合，提出“子區(qū)域翻轉(zhuǎn)映射+網(wǎng)格變形約束”的設(shè)計(jì)模式，核心突破體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： i=\`
f& B  
1.子區(qū)域翻轉(zhuǎn)最優(yōu)傳輸映射模式解鎖任意光場(chǎng)分布 $TFWum9wO  
不同于傳統(tǒng)的“源-靶固定映射”思路，該方法將自由曲面劃分為多個(gè)獨(dú)立子區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)⑷肷涔夥侄瓮渡涞侥繕?biāo)平面并疊加。這一過(guò)程類(lèi)似于積分平均的思想，即便局部光源變化，整體效果仍能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)以不變應(yīng)萬(wàn)變。設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)需預(yù)設(shè)入射光具體特性，從根本上降低了對(duì)入射光變化的敏感性。 0E/16@6=  
在每個(gè)子區(qū)域的映射設(shè)計(jì)中，該方法采用基于最優(yōu)傳輸理論的映射策略構(gòu)建目標(biāo)點(diǎn)集分布，實(shí)現(xiàn)了從光源分布到目標(biāo)光場(chǎng)的高效轉(zhuǎn)化。研究中，團(tuán)隊(duì)求解蒙日-安培方程確定中心區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)集網(wǎng)格，結(jié)合水平、垂直翻轉(zhuǎn)及組合對(duì)稱(chēng)操作，將映射模式擴(kuò)展至全局。 'h