CN101930090A - 一种多圆环光束整形器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多圆环光束整形器及其制作方法，包括步骤：(1)根据各个同心圆环的位置和强度比例计算光束整形器输入面上相位分布；(2)根据光束整形器相位数据量化后的参数制作模板；(3)利用模板对基片进行光刻和刻蚀过程，得到所需相位台阶结构，从而制得光束整形器。该光束整形器，包括光束整形器本体，光束整形器本体上有相互对应的光束输入面和光束输出面，光束输入面上设置有多个同心圆环，同心圆环上具有相位台阶结构。如将此光束整形器用于激光热负荷试验中，可用来模拟活塞在实际工作中温度场分布规律。此方法具有成本低、效率高、模拟可靠性高的特点。

Description

一种多圆环光束整形器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光束整形器及其制作方法，特别是涉及一种能产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束变换方法。

背景技术

在高强激光束的应用领域，由于激光束的固有特性，经常需要对激光束的波面、光强分布、光斑的形状与大小进行相应的变换以满足应用的要求，传统的光学元件很难实现激光光束的这种变换。这里所涉及的高强激光束的功率为千瓦级。

由于衍射光学元件能灵活、高效的对光束波前进行整形和变换，人们提出了利用其来产生单圆环分布的输出光斑，如文献1：“Boyko，O.，T.A.Planchon，et al.(2005).″Adaptive shaping of a focusedintense laser beam into a doughnut mode.″Optics Communications246(1-3)：131-140.”中公开的技术，如文献2：“Li，Q.，H.Gao，etal.(1998).″Investigation of diffractive optical element forshaping a Gaussian beam into a ring-shaped pattern.″Optics &Laser Technology 30(8)：511-514.”中公开的技术。又有利用二元光学元件来实现等间距、均匀分布的多圆环输出光斑。如专利1：“周常河；贾佳；刘立人。圆环形达曼光栅。申请号：03228475.6”中公开的技术。

现有技术中一般将入射光束变换为单圆环分布以及多圆环等间距、均匀强度分布光斑，如果要产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束，用以往的技术不能满足要求。例如在激光热负荷实验中，需要一种产生非等间距、非均匀强度多圆环分布的光束整形器，来对光束进行变换，使活塞表面预热到给定的温度分布，来模拟活塞在不同工况下的热负荷(高周疲劳、低周疲劳)。例如，在其它应用当中，可能需要产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束。

因此，研究一种能产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束整形器的设计和制作方法，对实际应用具有很大的现实意义。但是现有技术中一直没有这方面的技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束整形器及其制作方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种用于产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束整形器的制作方法，包括如下步骤：

1)根据各个同心圆环的位置和强度计算光束整形器相位；

2)根据相位数据量化后的参数制作模板；

3)利用模板进行多次光刻和刻蚀过程，得到所需相位台阶结构，从而制得光束整形器。

进一步，在上述技术方案中，所述步骤1)具体包括如下步骤：

(1)首先根据能量比例分割光束整形器输入面孔径，使其成为多个圆环区域，每个圆环区域分别对应于输出面上的一个圆环区域；

根据光束整形器输出面上各个环的强度之比及其半径大小，算出输出面上各个圆环的能量之比；由于输入面上每个圆环区域分别对应于输出面上的一个圆环区域，根据能量守恒，可得到输入面上的对应圆环位置，其中设定输入光为平面波，计算公式(1)如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{E_1}{E_{\mathrm{total}}}=\frac{{r_1}^2-{r_{10}}^2}{R^2}\\ \frac{E_2}{E_{\mathrm{total}}}=\frac{{r_2}^2-{r_{20}}^2}{R^2}\\ \frac{E_3}{E_{\mathrm{total}}}=\frac{{r_3}^2-{r_{30}}^2}{R^2}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{E_i}{E_{\mathrm{total}}}=\frac{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}{R^2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

E₁、E₂、E₃、……、E_n是输出面上各个圆环上的能量，E_total是输出面上的总能量；r_i0、r_i是输入面上第i个圆环的内外半径，R是整个输入面的半径。

使通过输入面上每个圆环上半径r处的光传输到输出面上对应圆环上半径R处，根据能量守恒，可求得R与r的关系，如公式(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{r^2-{r_{10}}^2}{{r_1}^2-{r_{10}}^2}=\frac{R{\left(r\right)}^2-{R_{10}}^2}{{R_1}^2-{R_{10}}^2}\\ \frac{r^2-{r_{20}}^2}{{r_2}^2-{r_{20}}^2}=\frac{R{\left(r\right)}^2-{R_2}^2}{{R_2}^2-{R_{20}}^2}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{r^2-{r_{i_0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}=\frac{R{\left(r\right)}^2-{R_{i0}}^2}{{R_i}^2-{R_{i0}}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

R_i0、R_i是输出面上第i个圆环的内外半径。

(2)利用二元光学的相位梯度分布，使得输入面上r处的光传播到输出面上相应位置R处，公式如(3)所示：

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{R\left(r\right)-r}{z}---\left(3\right)$

其中λ是入射光束的波长，z是输入面到输出面的距离，φ(r)是输入面上相位分布。将由公式(3)所得到的R(r)代入公式(2)中，得到下式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{r^2-{r_{10}}^2}{{r_1}^2-{r_{10}}^2}({R_1}^2-{R_{10}}^2)+{R_{10}}^2}-r}{z}\\ \frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{r^2-{r_{20}}^2}{{r_2}^2-{r_{20}}^2}({R_2}^2-{R_{20}}^2)+{R_{20}}^2}-r}{z}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{r^2-{r_{i0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}({R_i}^2-{R_{i0}}^2)+{R_{i0}}^2}-r}{z}\end{array}\right.---\left(4\right)$

将相位离散化数值求解：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{({\mathrm{\φ}}_{k+1}-{\mathrm{\φ}}_k)}_1}{\mathrm{\Δr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\Δr}\right)}^2-{r_{10}}^2}{{r_1}^2-{r_{10}}^2}({R_1}^2-R_{10})+{R_{10}}^2}-\left(\mathrm{k\Δr}\right)}{z}\\ \frac{{({\mathrm{\φ}}_{k+1}-{\mathrm{\φ}}_k)}_2}{\mathrm{\Δr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\Δr}\right)}^2-{r_{20}}^2}{{r_2}^2-{r_{20}}^2}({R_2}^2-R_{20})+{R_{20}}^2}-\left(\mathrm{k\Δr}\right)}{z}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{{({\mathrm{\φ}}_{k+1}-{\mathrm{\φ}}_k)}_i}{\mathrm{\Δr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\Δr}\right)}^2-{r_{i0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}({R_i}^2-R_{i0})+{R_{i0}}^2}-\left(\mathrm{k\Δr}\right)}{z}\end{array}\right.---\left(5\right)$

设Δr为采样间隔，从而可以得到输出面上的初始相位分布。

(3)当输出圆环尺寸较大时，此时要想得到理想的输出结果，输入面的采样需要很密，线宽很细。由于线宽受制作条件的限制，一般10微米以下的时候加工制作误差很大，并且不容易控制，因而线宽小于10微米时不能满足制作工艺要求。此时需要采取折衍混合的方法来满足制作工艺要求。即输入面采样平凹透镜，在其平面刻蚀台阶结构来制作光束整形器。此时需要根据初始相位分布求出最小逼近相位分布的球面波，根据该球面波算出所需要的平凹透镜的焦距，以选择平凹透镜，将初始相位减去凹透镜位所得的剩余相位，即为衍射面上相位分布。

(4)根据输出面上光强分布公式如式(6)：

$E\left(\mathrm{\ρ}\right)=\mathrm{ik}{z}^{-1}{e}^{\mathrm{ikz}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}g\left(r\right)e^{\frac{\mathrm{ik}}{2z}(r^2+{\mathrm{\ρ}}^2)}{J}_0\left(\frac{\mathrm{kr\ρ}}{z}\right)\mathrm{rdr}---\left(6\right)$

其中，ρ为输出面上点到原点的距离，Δr为采样间距，α_k为衍射面的初始相位分布。

将上步算出的初始相位分布，代入公式(6)中，即可以求出输出面上的光强分布。如果采用折衍混合方法时，此时输出面光束效果不理想，可以根据爬山优化算法来将相位进行优化，使得输出光束尽可能满足设计要求。相位设计部分是整个光束整形器的基础，决定着制作出的光束整形器是否满足实际要求，所以反复的程序验证和优化是设计的重点，直到最后得到满足实际需要最优的相位分布。

在上述技术方案中，所述步骤2)具体包括如下步骤：

(1)为了得到更加精确的设计结果，可以选用多台阶的相位结构，一般选择八台阶。首先需要将相位量化为π、π/2和π/4的三组数据，制作三块模板。利用Ledit软件画出模板加工需要的相位图。由于三块模板有后续的套刻对准问题，所以需要在模板上画上对准标记。对准标记一般为十字和方框图形，一定要根据刻蚀的工艺要求来设计位置和大小。然后根据加工相位图，利用电子束直写的方法来制作模板。

(2)如果是采用折衍混合的方法，由于光束整形器要在平凹透镜的一面刻蚀相位而得到，因此需要根据实际设计和加工需求选择材料和工艺参数。目前由于石英的应用普遍性和加工工艺的成熟性，一般采用石英做为光束整形器的材料。

在上述技术方案中，所述步骤3)具体包括如下步骤：

台阶型轮廓的二元光学器件是利用标准的大规模集成电路生产工艺制作的，采用减法工艺来完成刻蚀。首先制作黑白图样的掩模版，利用光刻技术将图形转印到涂有基片表面的光刻胶上，再经过刻蚀技术将光刻胶表面图形转印到基底上，在基底表面形成台阶结构，多次重复上述工艺过程，就可制作成多台阶表面浮雕轮廓相位型器件。

其中，光刻阶段包括表面清洁处理、甩胶、前烘、曝光、显影五部分，一般情况下清洁处理后也需要一步烘干基片的处理，从而更容易上胶。表面清洁处理是光刻的第一步，需要在净化工作台上用丙酮溶液来擦拭，将基片完全处理干净。甩胶过程是在清洁处理后的基片表面涂上一层光刻胶，用台式匀胶机将表面光刻胶甩均匀。前烘过程是将甩胶后的基片放到烘干台上，将烘干台温度调至100度左右，放置5分钟左右，用来去除光刻胶中溶剂，使光刻胶牢牢的粘附在基片上。

然后将基片拿下，使基片在室温下冷却后，在深紫外光刻机上进行光刻。将基片放在基片槽内，并将做好的模板取出，放于光刻机支架上。通过调整基片和模板的位置来使两者的对准标记对准，然后进行深紫外曝光，将模板上的图形转印到光刻胶上。

曝光结束后，将基片放到显影液中显影，曝光时透光部分的光刻胶就被显影液洗掉，不透光的部分被保护起来。拿出基片并用水冲洗干净后，将基片吹干，放到显微镜下观察光刻胶条纹，检查是否光刻完全。如果条纹残缺不完整，则需要从清洁开始重复光刻的各个步骤，直到条纹完整，光刻完全为止。

通过上述方法制得的光束整形器，包括光束整形器本体，光束整形器本体上有相互对应的光束输入面和光束输出面，光束输入面上设置有多个同心圆环，同心圆环上具有相位台阶结构。

光刻结束后，将表面带有光刻胶图形的基片放到离子束刻蚀装置中进行刻蚀。为了避免基片在刻蚀过程中表面温度过高而使光刻胶变质，在刻蚀前先在基片背面涂上一层真空硅脂，利用真空硅脂很好的导热作用来保护光刻胶图形。将基片放在竖直的工作台上，将程序调整好，关上离子束刻蚀装置的门，进行3个多小时的抽真空过程。当抽真空结束后，利用反应气体三氟甲烷对石英基片进行刻蚀。当刻蚀都结束后，将真空室中冲氮气，直到内外压强相等时，打开门取出基片，将基片清洁干净后，整个基片的加工完成。本发明的方法制作出的光束整形器，可以产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束，对实际应用具有很大的现实意义。

附图说明

图1为圆环加工相位示意图；

图2为减法刻蚀法制作8台阶相位过程图；

图3为光刻前三个阶段示意图；

图4为活塞表面激光作用区域示意图

图5为圆环设计输出示意图；

图6为输入面初始相位分布图；

图7为输出面光强二维分布图；

图8为变换后光束作用在活塞表面所测的高周热冲击温度波动范围。

具体实施方式

下面结合附图和示例方式对本发明作进一步详细描述，应该理解的是下面示例仅仅用于解释的目的，而非对本发明进行限制：

如图1-8所示，本发明提供了一种光束整形器制作方法，用于产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束，包括如下步骤：

1)根据各个同心圆环的位置和特定强度比例，计算光束整形器相位；

2)将相位数据量化的参数后制作模板；

3)利用模板对基片进行光刻和刻蚀过程，以得到所需相位台阶结构，从而制得光束整形器。

容易理解的是，本发明所述的多个圆环，为至少两个圆环，3个、4个或更多个均可以实现，下面以激光热负荷实验中所需的三圆环、非等间距、非均匀强度光束分布为例，来介绍具体的设计和制作步骤，其中所列举的参数仅仅是示例性的，本发明可以选择其他参数。

一、在一个实施例中，设计要求具体如下，热负荷实验中所要求的输出光强分布可表示为：

$f\left(R\right)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_1,& R\∈[0,R_1]\\ I_2,& R\∈[R_2,R_3]\\ I_3,& R\∈[R_4,R_5]\\ 0,& R\∈[R_1,R_2]\∪[R_3,R_4]\∪[R_5,\∞]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I₁、I₂和I₃分别为内、中、外环的相对平均功率密度，各环的内、外半径用R_i(i＝1-5)表示。其光强分布I₁∶I₂∶I₃＝667∶23.8∶1634.5，R₁＝3mm，R₂＝8.5mm，R₃＝12.5mm，R₄＝42.5mm，R₅＝55mm。且输入激光参数：波长1.06um，口径Φ50mm，功率3000瓦，工作方式连续。

二、设计步骤：

1、根据上述设计要求，由各个同心圆环的位置和强度比关系利用几何变换方法进行相位分析，由于输出圆环尺寸较大，从而对应的采样间距在10微米以下，因而需根据折衍混合的方法来使制作得以实现，来满足输出光束满足预设要求，从而得到光束整形器相位。其中几何变换主要是根据要求中所期望的多圆环的位置和强度比关系，并利用能量守恒定律来进行相位分析，应该理解的是下面的计算方法仅仅是多种实现方法中的一种；折衍混合的方法是所设计相位的制作实现方法。

(i)首先根据能量比例分割输入面孔径，使其成为三个圆环区域，每个圆环区域分别对应于输出面上的三个圆环区域。根据输出面上三个环的平均功率密度之比及其半径大小，算出输出面上三个圆环的能量之比为：3∶1∶996。由于每个圆环区域分别对应于输出面上的三个圆环区域，所以可得到输入面上的对应三个圆环位置，计算公式(2)如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{3}{1000}=\frac{{r_1}^2}{{25}^2}\\ \frac{1}{1000}=\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{{25}^2}\\ \frac{996}{1000}=\frac{{r_3}^2-{r_2}^2}{{25}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$ 得到 $\left\{\begin{array}{c}{r}_1=1.37\\ r_2=1.58\\ r_3=25\end{array}\right.$

其中r₁为输入面最内环的半径，r₂为输入面中间圆环的外半径，r₃为输入面最外圆环的外半径。

使通过输入面上半径r处环的光传输到输出面上对应半径R处的环上，根据能量守恒，可求得R与r的关系，如公式(3)所示：

$\frac{r^2-{r_{i0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}=\frac{R{\left(r\right)}^2-{R_{i0}}^2}{{R_i}^2-{R_{i0}}^2}---\left(3\right)$

其中第一个圆环：r₁₀＝0mm，r₁＝1.37mm，R₁₀＝0mm，R₁＝3mm.

第二个圆环：r₂₀＝1.37mm，r₂＝1.58mm，R₂₀＝8.5mm，R₂＝12.5mm

第三个圆环：r₃₀＝1.58mm，r₃＝25mm，r₃₀＝42.5mm，R₃＝55mm

(ii)利用二元光学的相位梯度分布，使得输入面上r处的光传播到输出面上相应位置R处，公式如(4)所示：

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{R\left(r\right)-r}{z}---\left(4\right)$

其中λ是入射光束的波长，z是输入面到输出面的距离，φ(r)是输入面上相位分布。将由公式(4)所得到的R(r)代入公式(3)中，得到下式(5)：

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{r^2-{r_{n-1}}^2}{{r_n}^2-{r_{n-1}}^2}({R_n}^2-{R_{n-1}}^2)+{R_{n-1}}^2}-r}{z}---\left(5\right)$

将相位离散化数值求解：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_{k+1}-{\mathrm{\φ}}_k}{\mathrm{\Δr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\Δr}\right)}^2-{r_0}^2}{{r_1}^2-{r_0}^2}({R_1}^2-R_0)+{R_0}^2}-\left(\mathrm{k\Δr}\right)}{z}---\left(6\right)$

设Δr为采样间隔，取φ₁＝0，从而可以得到输出面上的初始相位分布。

根据初始相位分布求出最小逼近相位分布的球面波，由此可以算出所需要的平凹透镜的焦距为500mm。将初始相位减去凹透镜位所得的剩余相位，即为衍射面(输入面)上相位分布。

在利用上述方法执行计算过程中，由于采样间隔Δr的大小有一定限制，不是无限小，因此计算出的相位分布不是最优的，需要进一步对该数值进行优化。

因此，根据本发明的一个示例，进一步包括优化步骤：根据爬山优化算法对相位进行优化，使得最终得到的相位分布能使输出光束满足预设要求。

(iii)根据输出面光场分布公式如式(7)：

$E\left(\mathrm{\ρ}\right)=\mathrm{ik}{z}^{-1}{e}^{\mathrm{ikz}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}g\left(r\right)e^{\frac{\mathrm{ik}}{2z}(r^2+{\mathrm{\ρ}}^2)}{J}_0\left(\frac{\mathrm{kr\ρ}}{z}\right)\mathrm{rdr}---\left(7\right)$

其中，

ρ为输出面上点到原点的距离，Δr为采样间距，α_k为衍射面的初始相位分布。

将上步算出的初始相位分布，代入公式(7)中，即可以求出输出面上的光强分布，选择输出面采样间隔为0.1mm。然后可以根据爬山优化算法来将相位进行优化，使得输出光束尽可能满足设计要求。其中，输出面三个环的效率为98.65％，三个环带的均方根误差分别为0.4544，0.2736，0.1483。

2.模板制作和平凹透镜选择，具体包括如下步骤：

(1)为了得到更加精确的设计结果，可以选用多台阶的相位结构，一般选择八台阶。首先需要将相位量化为π、π/2和π/4的三组数据，制作三块模板。利用Ledit软件画出模板加工需要的相位图。由于三块模板有后续的套刻对准问题，所以需要在模板上画上对准标记。对准标记一般为十字和方框图形，一定要根据刻蚀的工艺要求来设计位置和大小。然后根据加工相位图，利用电子束直写的方法来制作模板。

(2)由于光束整形器要在平凹透镜的一面刻蚀相位而得到，因此需要根据实际设计和加工需求选择材料和工艺参数。目前由于石英的应用普遍性和加工工艺的成熟性，采用石英做为光束整形器的材料。其中，平凹透镜的加工参数选为：

基片尺寸：Φ60×5mm

材料：JGS1

焦距：500mm

波长：输入波长1.06um

应该理解的是，对于上面所执行的步骤，可以利用预编好的程序来执行，可以提高计算效率，加快计算过程。

3、光刻和刻蚀，具体包括如下步骤：

台阶型轮廓的二元光学器件是利用标准的大规模集成电路生产工艺制作的，采用减法工艺来完成刻蚀。首先制作黑白图样的掩模版，利用光刻技术将图形转印到涂有基片表面的光刻胶上，再经过刻蚀技术将光刻胶表面图形转印到基底上，在基底表面形成台阶结构，多次重复上述工艺过程，就可制作成多台阶表面浮雕轮廓相位型器件。由于本基片为八台阶，所以需要三次套刻。即先用第一块模板进行光刻和刻蚀，然后用第二块模板与基片进行对准，再进行一次光刻和刻蚀，最后用第三块模板再与基片进行对准，进行最后一次光刻和刻蚀。

其中，光刻阶段包括表面清洁处理、甩胶、前烘、曝光、显影五部分，一般情况下清洁处理后也需要一步烘干基片的处理，从而更容易上胶。表面清洁处理是光刻的第一步，需要在净化工作台上用丙酮溶液来擦拭，将基片完全处理干净。甩胶过程是在清洁处理后的基片表面涂上一层光刻胶，用台式匀胶机将表面光刻胶甩均匀。前烘过程是将甩胶后的基片放到烘干台上，将烘干台温度调至100度左右，放置5分钟左右，用来去除光刻胶中溶剂，使光刻胶牢牢的粘附在基片上。

然后将基片拿下，使基片在室温下冷却后，在深紫外光刻机上进行光刻。将基片放在基片槽内，并将做好的模板取出，放于光刻机支架上。通过调整基片和模板的位置来使两者的对准标记对准，然后进行深紫外曝光40秒，将模板上的图形转印到光刻胶上。

曝光结束后，将基片放到显影液中显影，曝光时透光部分的光刻胶就被显影液洗掉，不透光的部分被保护起来。拿出基片并用水冲洗干净后，将基片吹干，放到显微镜下观察光刻胶条纹，检查是否光刻完全。如果条纹残缺不完整，则需要从清洁开始重复光刻的五个部分，直到条纹完整，光刻完全为止。

光刻结束后，将表面带有光刻胶图形的基片放到离子束刻蚀装置中进行刻蚀。为了避免基片在刻蚀过程中表面温度过高而使光刻胶变质，在刻蚀前先在基片背面涂上一层真空硅脂，利用真空硅脂很好的导热作用来保护光刻胶图形。将基片放在竖直的工作台上，将程序调整好，关上离子束刻蚀装置的门，进行3个多小时的抽真空过程。当抽真空结束后，利用反应气体三氟甲烷对石英基片进行刻蚀。三次刻蚀的深度不同，第一次到第三次刻蚀深度分别为：1.18微米，0.59微米，0.30微米。当刻蚀都结束后，将真空室中冲氮气，直到内外压强相等时，打开门取出基片，将基片清洁干净后，整个基片的加工完成。将加工完成的光束整形器放置在激光热负荷实验平台中，利用转换片对激光光束的变换所产生的三圆环光束对活塞进行了热负荷实验。将变换后的光束作用在活塞顶表面上，实验结果表明能使活塞表面各区域的温度达到设计所要求的温度范围，即外环最高温度341℃、第二环最高温度318℃、中心环最高温度331℃，且通过控制激光的加卸载参数能使激光辐照区域的三个环的温度波动范围在10-20℃范围，满足活塞高周热冲击温度波动范围。

需要指出的是根据本发明具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求所记载的范围。

Claims (10)

1.一种多圆环光束整形器的制作方法，用于产生各圆环位置和强度任意分布的多圆环光束，包括如下步骤：

1)根据各个同心圆环的位置和强度比例，计算光束整形器相位；

2)根据光束整形器相位数据量化后的参数制作模板；

3)利用模板对基片进行光刻和刻蚀，以得到所需相位台阶结构，从而制得光束整形器。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括如下步骤：

i)根据能量比例分割光束整形器输入面孔径，使其成为多个圆环区域，每个圆环区域分别对应于输出面上的一个圆环区域；

根据输出面上各个环的强度之比及其半径大小，计算出输出面上各个圆环的能量之比，根据能量守恒，得到输入面上的对应圆环位置，其中设定输入光为平面波，计算公式(1)如下：

$\frac{E_i}{E_{\mathrm{total}}}=\frac{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}{R^2}---\left(1\right)$

其中，E_i是输出面上各个圆环上的能量，i为输出面上环的个数，E_total是输出面上的总能量；r_i0、r_i是输入面上第i个圆环的内外半径，R是整个输入面的半径；

使通过输入面上每个圆环半径r处的光传输到输出面上对应圆环上半径R处，根据能量守恒，求得R与r的关系，计算公式(2)如下：

$\frac{r^2-{r_{i_0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}=\frac{R{\left(r\right)}^2-{R_{i0}}^2}{{R_i}^2-{R_{i0}}^2}---\left(2\right)$

其中，R_i0、R_i是输出面上第i个圆环的内外半径；

ii)利用二元光学的相位梯度分布，使得输入面上r处的光传播到输出面上相应位置R处，计算公式(3)如下：

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{R\left(r\right)-r}{z}---\left(3\right)$

其中，λ是入射光束的波长，z是输入面到输出面的距离，φ(r)是输入面上相位分布；

将由公式(3)所得到的R(r)代入公式(2)中，得到下式(4)

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r\right)}{\mathrm{dr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{r^2-{r_{i0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}({R_i}^2-{R_{i0}}^2)+{R_{i0}}^2}-r}{z}---\left(4\right)$

将相位离散化数值求解：

$\frac{{\mathrm{\φ}}_{k+1}-{\mathrm{\φ}}_k}{\mathrm{\Δr}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\Δr}\right)}^2-{r_{i0}}^2}{{r_i}^2-{r_{i0}}^2}({R_i}^2-R_{i0})+{R_{i0}}^2}-\left(\mathrm{k\Δr}\right)}{z}---\left(5\right)$

其中Δr为采样间距，从而可以得到光束整形器输入面上的初始相位分布。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在计算出光束整形器输入面上初始相位分布之后，进一步执行以下步骤：

iii)根据输出面光场分布公式，如下式(6)：

$E\left(\mathrm{\ρ}\right)=\mathrm{ik}{z}^{-1}{e}^{\mathrm{ikz}}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}g\left(r\right)e^{\frac{\mathrm{ik}}{2z}(r^2+{\mathrm{\ρ}}^2)}{J}_0\left(\frac{\mathrm{kr\ρ}}{z}\right)\mathrm{rdr}---\left(6\right)$

其中，

ρ为输出面上点到原点的距离，Δr为采样间距，α_k为光束整形器输入面上初始相位分布；将步骤(ii)中得出的初始相位分布，代入公式(6)中，得出光束整形器输出面上的光场分布。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，多圆环尺寸所需的采样间距在10微米以下时，需要利用现有技术中的优化方法进行优化，以使得符合输出光束预设的要求，该优化方法采用折衍混合的方法来降低制作上的难度，即需要在平凹透镜的平的一面来刻蚀台阶结构，或者将平凹透镜和刻有台阶结构的基片组合；具体包括：根据初始相位分布求出最小逼近相位分布的球面波，根据该球面波得出所需要的平凹透镜的焦距，以选择平凹透镜，将初始相位减去平凹透镜相位所得的剩余相位，即为衍射面上相位分布。

5.根据权利要求1所述制作方法，其特征在于，所述步骤2)中制作模板的步骤，具体包括，根据所需同心圆环的个数将光束整形器的相位量化为多组数据，每组数据对应制作一块模板，画出模板加工需要的相位图，并在每个模板上画上对准标记，以确保模板在后续的套刻时对准，然后根据加工相位图，利用电子束直写的方法来制作模板。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中可将光束整形器的相位量化为π的一组数据，或π、π/2的两组数据，或π、π/2和π/4的三组数据，或π、π/2、π/4和π/8四组数据或者更多数据，以制作与每组数据对应的模板，从而利用模板将光束整形器制作为2、4、8、16台阶的相位结构。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用对待整形光束的波长有良好透过率的材料作为光学基片。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤3)中采用减法工艺来完成刻蚀；

其中，光刻阶段包括表面清洁处理、甩胶、前烘、曝光、显影五部分，其中清洁处理后也需要一步烘干基片的处理，以易于上胶。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，光刻结束后，将表面带有光刻胶图形的基片放到离子束刻蚀装置中，利用反应气体对石英基片进行刻蚀。

10.根据权利要求1-9任一项所述的制作方法制得的多圆环光束整形器，其特征在于，包括光束整形器本体，光束整形器本体上有相互对应的光束输入面和光束输出面，光束输入面上设置有多个同心圆环，同心圆环上具有相位台阶结构。

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