CN102162925A - 一种光束整形器件 - Google Patents

Abstract

本发明是光束整形器件，其包含阵列式分布的光束整形单元，每个整形单元含有多个位相子单元，每个整形单元均能够独立实现光束整形。整形器件根据光束远场的光强分布要求利用位相反演算法获得器件位相分布数据，采用刻蚀或压印的方法在器件上形成获得的位相分布形式，从而构造出可以实现任意形状或满足不同光强分布要求的光束整形器件，尤其是可以获得光强均匀分布的光束整形器件。本发明可以用于热光源、固体激光器、准分子激光器和半导体激光器等光源出射光束的变换和整形。

Description

一种光束整形器件

技术领域

本发明涉及光束整形器件，特别是一种阵列型位相结构的光束整形器件。

背景技术

通常使用激光器时都期望其发射的光束强度呈高斯分布，而大部分光束的高斯分布也并不总是理想的，只有固体激光器较容易得到高斯光束，例如准分子激光器的光束通常很不理想，可以观察到明显的强度波动，光束总是不对称的，光斑形状也不规则，且不同脉冲光束的强度分布可能都不同，无规律可循。而在大部分应用领域，需要光场强度分布稳定，且光斑尺寸、形状和强度分布可以自由控制，尤其可以实现光斑形状规则稳定并且光强均匀分布。目前对光束整形的方法有很多，包括采用宏透镜、微透镜、液晶光阀空间和传统位相子单元整形技术等，这些整形技术也存在一些问题，例如透镜组调节精度高、输出光场模式单一，均匀性不够高等；尤其其中传统位相元件为单一的一块刻蚀版，元件对入射光束要求较高，其使用时要求入射光束必须充满整个通光区域；且必须满足实际入射光束的波面形状和设计输入光束的波面形状等特性保持严格一致，才能够实现输出光场达到设计值；其对入射光光源的稳定性要求也较高，这样的一些问题导致其使用场合受到限制，对使用方法和使用技巧也要求极高。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出光场强度分布形式稳定、光能利用高的光束整形器件。

为实现所述目的，本发明提供光束整形器件的技术方案包括：在基底的一侧工作面上设有多个整形单元，在基底的x轴向和y轴向呈阵列式分布M×N个整形单元，M×N个整形单元之间紧密连接；每个整形单元包含P×Q个位相子单元，M、N、P和Q为正整数，且M和N不同时等于1，P和Q也不同时等于1，入射光束被M×N个整形单元个分割成多个子光束，每个子光束经P×Q个位相子单元调制生成调制后生成的远场光场的光强分布相同，且M×N个远场光场相互叠加，形成与子光束远场光场强度分布相同的输出光场。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对光束进行整形的情况下，同时改善光场强度分布的均匀性；

(2)对入射光束的强度分布不敏感，整形后光束的光场分布稳定；即无论入射光束强度分布如何变化，光束整形变换元件变换后的光场分布均能达到指定的分布状态；

(3)由于采用的是光学整形方法，能量损失小；

(4)整形器件的外形结构简单易于制作，成本低，利于批量化制造；

(5)应用场合更加广泛，且对使用方法和使用技巧要求低。

附图说明

图1a为本发明实施例一的阵列型光束整形器件结构示意图；

图1b为本发明实施例一的光束整形器件xoy平面结构截面示意图；

图2a为本发明整形单元的结构示意图；

图2b为本发明整形单元的位相结构的灰度图；

图2c为本发明图2b整形单元沿AA’向的剖面示意图；

图3为平行光经过整形器件后的光路示意图；

图4为整形器件和会聚透镜构成实现光束整形的光路示意图；

图5为本发明实施例二的光束整形器件xoy面的截面示意图；

图6为本发明实施例二会聚光经过整形器件后的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的光束整形器件作进一步详细描述。

实施例一：

图1a为本发明实施例一的阵列型光束整形器件结构示意图，图1b为本发明实施例一的光束整形器件xoy平面结构截面示意图，图2a为本发明整形单元的结构示意图。整形器件的基底101工作面的一侧表面包含多个整形单元101a，整形单元101a的xoy面内的截面为矩形结构，整形单元101a沿整形器件的基底101的x轴向和y轴向呈阵列式分布，如图1b所示，沿整形器件的基底101的x轴向分布M列整形单元101a(M≥1的整数)，沿整形器件的基底的y轴向分布N行整形单元101a(N≥1的整数)，即x轴向和y轴向的整形单元101a的个数可以为1个、2个、3个或者3个以上，并保证M和N不同时为1，当M＝N＝1时即为普通的光学整形元件，所述整形单元101a的尺寸为毫米量级，相邻的整形单元101a间无间隙，这样可以有效提高光源的利用率，避免造成光能损耗。

如图2a所示，每个整形单元101a内包含P×Q个位相子单元，P×Q个位相子单元在整形单元101a的xoy面内呈阵列分布。位相子单元为矩形结构；P和Q为正整数，且M和N不同时等于1，P和Q也不同时等于1。

图2b为本发明整形单元的位相结构的灰度图，不同的灰度表示不同的位相值，图2c为本发明图2b整形单元沿AA’向的剖面示意图，图3为平行光经过整形器件后直接在远场形成所需的光场分布的光路示意图。整形单元101a的结构图像如图2b所示，整形单元101a的位相子单元为阵列式分布，一个整形单元101a内的P×Q个位相子单元视为一个工作单元组，可以完成对光束的整形功能。因此整形器件内每一个整形单元101a都可以独立的实现光束整形功能，整形单元101a内的各个位相子单元的结构参数根据整形后光束的远场分布的要求进行计算，计算方法可以采用常规的位相反演算法得到。位相子单元的位相数据的计算方法如下：首先选取一组位相值作为一个整形单元101a内的各个位相子单元的初始位相值，一个整形单元101a内的各个位相子单元的初始值可以相同可以不同。然后利用反演运算(如G-S反演运算)优化，得到各个位相子单元的位相数据，即整形单元的位相分布数据。整形单元内P×Q个位相子单元中相邻位相子单元之间的位相数据在[-kπ，kπ]内呈离散状态，其中k≥1的正整数。

实现整形单元的步骤是：步骤S1：根据远场光分布的要求，利用位相反演算法进行反推计算得到各个整形单元的位相分布数据；步骤S2：根据各个整形单元的位相分布数据，采用刻蚀或压印在基底上构造位相子单元的位相分布，从而得到能构造出对入射光束强度分布无均匀性要求并变换得到光场外形轮廓为相同形状和光场强度分布相同的远场光的整形单元。整形器件的各整形单元的位相结构可能相同也可能不同。根据基底材料特性和计算推得的整形单元的位相分布数据，采用光刻或压印的方法在基底上形成工作光波的对应的位相结构，得到所需光束整形器件，光束通过整形器件经傅里叶变换后叠加，整形器件能够实现对光束整形，所述位相结构是位相子单元经刻蚀或压印后其yoz截面的结构图，如图2C所示，为深度不等的一些台阶，本领域普通技术人员应该掌握这类位相反演算法，如G-S算法等，此处不再进行详细介绍。

当有一束强度分布不均匀的平行光入射到整形器件时，整形器件的M×N个整形单元101a将入射光束分割为M×N束子光束，相当于对光束进行了微分，每个整形单元101a上入射的光束强度分布较为均匀稳定，M×N个子光束经整形单元101a内的多个位相子单元调制后，M×N个子光束的远场光场外形轮廓相同且光场强度分布相同，M×N个子光束的远场光场相互叠加后，形成与子光束远场光场强度分布相同的输出光场，因此经整形单元调制位相后的在远场得到光场分布稳定，与预期的输出光场分布差异小，例如设计值为输出光场强度分布为圆形平顶，经过整形单元调制后得到的远场光场强度分布也为圆形平顶，且光场发散角等参数也与设计值相符。同时整形器件内的M×N个整形单元101a调制后的输出光场彼此相互叠加，形成积分效应，提高变换后光场的均匀性，进一步降低了入射光束强度分布不均匀对变换后光场强度分布的影响，形成与子光束远场光场强度分布相同的输出光场，得到了预期的在yoz截面内长度为D分布稳定的输出光场(如图3所示)。本发明中的整形器件包含M×N个功能独立的整形单元，因此即使入射光束不能够充满整个整形器件的通光区域，但是只要有一个整形单元101a被光束完整照射，整形器件都能够对光束进行整形，因此对入射光束尺寸和强度分布均匀性要求降低，整形器件的使用范围更广，当然整形器件的整个工作区域被完整照射的整形单元101a的数量越多整形和匀场的效果就越好。

当有一束强度分布不稳定的平行光入射到整形器件时，该整形器件仍可以变换得到分布稳定的预期光场。因为整形单元是根据远场分布反演推算的数据经刻蚀或压印的方法形成的，当要求远场分布为均匀分布时，可根据反演算法如G-S算法确定每个整形单元的位相形式。光束经过该整形器件时，阵列分布的整形单元将入射光束分割为多个小光束，每个小光束经整形单元调制后，在远场形成相同的远场光强分布。由于分割形成的小光束相对整个光束的强度分布稳定，再加上多个小光束形成的远场光场相互叠加的平均效果，这种结构的整形器件就实现了对入射的强度分布不稳定光束既实现了稳定的光束整形又实现光场分布的均匀化。此整形器件对入射光束的强度分布变化不敏感，整形后光束的光场分布稳定，即入射光束的强度分布存在较大的变化时，经过整形器件整形后其光束的光场均能达到预定的强度分布，即设计值为输出光场强度分布为圆形平顶，无论入射光束强度分布是圆形平顶分布还是其它分布，都能够得到输出光场强度分布为圆形平顶的光场。如大功率激光器当输出光束的形状和强度分布不稳定时，采用这种光束整形器件均可以在远场实现所需强度分布的稳定均匀的光场。如果需要得到不同尺寸的光斑，可以通过改变阵列式分布的整形单元的位相子单元的尺寸和位相分布形式，改变远场发散角实现。

图4为整形器件和会聚透镜构成实现光束整形的光路示意图。图4包括整形器件的基底101和会聚透镜102。平行光束入射到整形器件的基底101的xoy面上，整形单元101a位于基底101的光束入射面上，各个整形单元101a分别对入射光束进行整形，即入射光束被整形单元101a内的大量的位相子单元调制位相和衍射后，调制位相后的0级衍射光束经会聚透镜102后，在会聚透镜102的焦面处会聚形成需要的光场分布。采用会聚透镜102对整形后的光束进行会聚，在会聚透镜102的焦面处得到整形后的光束的远场光场分布，该光场的光斑尺寸D由整形后光束远场发散角θ和会聚透镜102的焦距f决定。如果需要得到不同大小的光斑，可以通过改变阵列式分布的多个整形单元101a内的位相子单元的结构，达到改变远场发散角的目的，也可以改变会聚透镜的焦距，或采用变焦镜头，可以选择合适的焦距，得到需要的光斑尺寸。

实施例二：

图5为本发明实施例二的光束整形器件xoy面的截面示意图。光束整形器件的基底101为圆形，其内的整形单元101a为大小不等的矩形和不规则形状，各个整形单元101a按照x轴向和y轴向阵列分布，相邻整形单元101a间存在微小间隙。整形单元101a的尺寸为毫米级。沿x轴向分布M个整形单元101a(M≥1的整数)，沿y轴向分布N个整形单元101a(N≥1的整数)，即x轴向和y轴向的整形单元101a的个数可以为2个或3个或者3个以上，但要保证M和N不同时为1，当M＝N＝1时即为普通的光学整形单元。整形单元101a内的位相子单元的图像结构和实施例中的计算方法相同，此处不再赘述。

图6所示为会聚光经过整形器件后的光路示意图，包含整形器件的基底101。含有基底101的整形器件的工作原理与实施例一相同，此处作以简单介绍，各个整形单元101a位于整形元件101的光束入射面内，当有强度分布为无规则的矩形会聚光入射时，整形器件内的各个整形单元101a对光束进行分割，因此对应整形单元101a区域内的会聚光束可以近似成平行光入射，每个整形单元101a都能够对光束进行较好的调制，整形后的光场在远场相互叠加。因为各个整形单元是根据远场光强分布而设计并加工的，当要求远场分布为外形轮廓为圆形且圆心位置光强高边缘光强低的高斯分布时，可根据反演算法(如G-S算法)确定整形器件内各个整形单元的位相子单元的位相数据和结构。光束经过该整形器件整形后，各整形单元分割入射光束，并在远场实现强度分布为高斯分布的圆形远场光场。这样通过M×N个整形单元对入射光束的分割并在远场的积分叠加，就实现了对入射的不均匀光束既实现整形为圆形又实现远场的重新分布。如果需要得到不同大小的光斑，可以通过改变阵列式分布的M×N个整形单元的位相分布形式和位相子单元的尺寸，达到改变光束整形器件整形后光束的远场发散角，改变远场光的尺寸。

本发明中整形单元101a的xoy面的截面形状不限制于矩形和圆形，还可以是梯形、平行四边形和菱形等，以及不规则形状；整形单元101a大小不仅可以是微米级和毫米级，也可以是纳米级，只要制造工艺可以实现均可；位相子单元的尺寸也可以是微米级或纳米级，位相子单元的形状也不限制在上述实施例中的情形，也可以为菱形、平行四边形、梯形、圆形或其他不规则形状的结构，相邻整形单元的排布方式也可以为不规则排布，并且相邻整形单元的间距也可以为零也可以不为零，但是相邻整形单元的间距不为零会造成光能损失。在基底上刻蚀的所有的整形单元，是一块基底上刻蚀，也可以是在不同的几块基底上刻蚀，或是各在一块基底上刻蚀后组合而成。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (5)

1.一种光束整形器件，包含有基底，其特征在于，在基底的一侧工作面上设有多个整形单元，在基底的x轴向和y轴向呈阵列式分布M×N个整形单元，M×N个整形单元之间紧密连接；每个整形单元包含P×Q个位相子单元，M、N、P和Q为正整数，且M和N不同时等于1，P和Q也不同时等于1，入射光束被M×N个整形单元个分割成多个子光束，每个子光束经P×Q个位相子单元调制生成调制后生成的远场光场的光强分布相同，且M×N个远场光场相互叠加，形成与子光束远场光场强度分布相同的输出光场。

2.根据权利要求1所述的光束整形器件，其特征在于，实现整形单元的步骤是：

步骤S1：根据远场光分布的要求，利用位相反演算法进行反推计算得到各个整形单元的位相分布数据；

步骤S2：根据各个整形单元的位相分布数据，采用刻蚀或压印在基底上构造位相子单元的位相分布，从而得到能构造出对入射光束强度分布无均匀性要求并变换得到光场外形轮廓为相同形状和光场强度分布相同的远场光的整形单元。

3.根据权利要求1所述的光束整形器件，其特征在于，所述P×Q个位相子单元中的相邻位相子单元之间的位相数据分布呈离散状态。

4.根据权利要求1所述的光束整形器件，其特征在于，整形单元的尺寸为毫米级、亚毫米级或微米级。

5.根据权利要求1所述的光束整形器件，其特征在于，所述整形单元的xoy面内的截面为矩形、圆形、菱形、梯形或其他不规则形状的结构。

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