CN102540303B - 反射式艾里环衍射光栅 - Google Patents

Abstract

一种反射式艾里环衍射光栅，呈叠层结构，由下至上依次是基板层（4）、金属反射膜层（3）、半透半反膜层（2）和增透膜层（1），其中的金属反射膜层由配对的两种不同金属反射膜（5，6）一一间隔拼合成，呈圆形和同轴环形方式拼合，半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。本光栅通过改变入射光振幅和相位分布来提高焦平面光强的均匀度和边界锐度，应用于激光手术、激光精密加工和激光辐照，对提高手术精度，加工精度和辐照均匀度效果十分显著，解决了多年来在上述领域未采用配套光栅带来的精度和均匀度差的问题。

Description

反射式艾里环衍射光栅

技术领域

本发明涉及一种光学元件，具体是可在激光医学，激光加工，激光辐照等领域应用的光栅。

背景技术

现有技术中，激光的传输未用光栅对焦点光斑的边界锐度和分布均匀度进行控制，由于衍射的影响，激光在传输过程中光斑的分布会发生变化。即使边界锐度相对高、且分布较均匀的激光，传输一段距离后，其锐度和均匀度都会变差，尤其是聚焦到焦点的光斑，这种情况更明显。为了克服这个问题，在激光器的发射端设置一种光强反射系数呈艾里环分布、在光强为零处的相位有π跃变的艾里环衍射光栅，可以大幅度提高焦点处光斑的锐度和均匀度。用本艾里环衍射光栅传输的激光进行激光外科手术，剖切的精度会提高，剖口面会小而光洁；应用于激光精密加工，则金属的切割与钻孔精度高，切面光洁；应用本光栅，会使激光辐照更均匀，效果更好。CN101887140公开了宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法，CN101750650公开了多重衍射光栅，CN1523591公开了波长选择性衍射光栅，在光栅技术方面，这些专利技术均对社会做出了各自的贡献，经检索和市场调查，尚未发现有关在激光外科手术、金属精密加工、和激光辐照领域应用的艾里环衍射光栅的有关报导和相关产品面市。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计出一种反射式艾里环衍射光栅。

解决上述技术问题采用以下技术措施：

本反射式艾里环衍射光栅，呈叠层结构，由下至上依次是基板层、金属反射膜层、半透半反膜层和增透膜层，其中的金属反射膜层由配对的两种不同金属反射膜拼合成，呈圆形和同轴环形地一一间隔的方式拼合，半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。

所说的金属反射膜层由金、银、铜、铝和铬中任两种反射膜拼合成。

所说的半透半反膜层为氟化镁层、氯化镁层或硫化锌层中的任一种。

所说的增透膜层为二氧化硅层、磷酸二氢钾层或二氧化钛层等中的任一种。

本发明的有益效果是本光栅对基板、金属反射膜、半透半反膜和增透膜的折射率和对激光的反射系数进行了合理的选择和搭配，能够有效抑制激光传输中的衍射效应，提高焦平面光强分布的均匀度和边界锐度，应用于外科手术和金属加工，均能显著提高外科手术的精度和金属加工的精度，以及辐照的均匀度。

附图说明

图1为本发明的叠层结构示意图

图2为金属反射膜层两种不同金属反射膜搭配分布示意图

图3为同相位激光通过半透半反膜层后的相位与半径的关系图

图4为增透膜层对激光的透过率随半径变化关系图

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图予以详述：参见图1和图2，本反射式艾里环衍射光栅，呈叠层结构，由下至上依次是基板层4、金属反射膜层3、半透半反膜层2和增透膜层1，其中的金属反射膜层3由配对的两种不同金属反射膜5，6一一间隔拼合成，呈圆形和同轴环形方式拼合，半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。

所说的金属反射膜层3由金、银、铜、铝和铬中任两种反射膜拼合成。

所说的半透半反膜层2为氟化镁膜层、氯化镁膜层或硫化锌膜层中的任一种。

所说的增透膜层1为二氧化硅膜层、磷酸二氢钾膜层或二氧化钛膜层等中的任一种。

需说明的是反射式艾里环衍射光栅的基板材料选择坚固、不易变形、对光的吸收系数小、热膨胀系数低和散热快的有机或无机材料。

参见图2，本光栅的金属反射膜层3可采用如下方式实现：在中心圆形面内镀上一种金属反射膜，在第一个环形面内镀上另一种金属反射膜，在第二个环形面内再镀上与中心圆形面相同的金属反射膜，以此类推，一一间隔，最终是在基板上形成两种金属反射膜交替排列的多级的圆形区域。环的多少根据具体应用时对光强锐度和均匀度的要求确定。环数越多，焦平面处光强的锐度和均匀度越高。

反射式艾里环衍射光栅各级圆或环的半径r的值可由下式推导而得：

$J_1\left(\frac{r}{z}\right)=0$

其中J₁为一阶贝塞尔函数，z是确定艾里环衍射光栅各环半径大小的参数。1至5级环半径分别为r₁＝3.83z，r₂＝7.02z，r₃＝10.17z，r₄＝13.32z，r₅＝16.47z。

反射式艾里环衍射光栅的半透半反膜层是通过在金属反射膜上面再蒸镀一层半透半反膜实现。相同相位的激光通过半透半反膜后的相位随半径的变化如附图3所示，其中横坐标表示半径，纵坐标表示同相位激光通过半透半反膜后的相位。

最后再在半透半反膜层的上面溅镀一层增透膜，用增透膜层厚度的变化改变反射式艾里环衍射光栅的反射系数，使其满足反射式艾里环衍射光栅对反射率的要求。当增透膜层的折射率大于半透半反膜层的折射率，增透膜层厚度d与半径r的关系由下列公式确定：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{n\π}}\arccos \{2{\left[\frac{2z}{r}{J}_1\left(\frac{r}{z}\right)\right]}^2-1\}-\frac{\mathrm{\λ}}{4n}$

当增透膜层的折射率小于半透半反膜层的折射率，增透膜层厚度d与半径r的变化关系由下列公式确定：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{n\π}}\arccos \{2{\left[\frac{2z}{r}{J}_1\left(\frac{r}{z}\right)\right]}^2-1\}$

其中J₁为一阶贝塞尔函数，z是确定反射式艾里环衍射光栅实际半径大小的参数，n为增透膜层的折射率，λ为入射激光的波长。

增透膜层对激光的透射率η随半径r按下列规律变化：

$\mathrm{\η}={\left[\frac{2z}{r}{J}_1\left(\frac{r}{z}\right)\right]}^2$

在半径为r₁＝3.83z，r₂＝7.02z，r₃＝10.17z，r₄＝13.32z，r₅＝16.47z构成的多级圆环，同相位激光经相邻圆环的边界反射时相位会产生π跃变。增透膜层对激光的透射率如附图4所示，其中纵坐标表示增透膜层对激光的透射率，横坐标表示半径。半透半反膜层对激光的吸收系数很小，折射率介于其下层的两种金属反射膜层的折射率之间，上面对入射光为半透半反，下面对入射光为全透。

本发明之所以能够提高焦平面处激光的锐度和均匀度，这是因为在理论上焦平面的光强分布可以由菲涅尔衍射积分公式计算求出，通过解菲涅尔衍射积分公式可以发现被这种光栅调制的激光聚焦到焦平面处可以提高光强分布的锐度和均匀度。例如，入射光束是平面波、高斯光束，或贝塞尔光束，且光束的尺寸大于第一级环半径(r₁＝3.83z)，用这种光栅对入射光束的振幅和相位进行调制，就可以在焦点处获得较高锐度和均匀度的光强分布。

增透膜采用耐磨性和抗潮性强的二氧化硅、磷酸二氢钾或二氧化钛等为原料，在半透半反膜层上通过溅镀实现。

基板层的基板作为整个结构的支撑底板，根据力学性能确定底板的材料和厚度。基板上的金属反射膜层具有较高的反射系数，由金、银、铜、铝和铬中任两种金属反射膜搭配而成。金属反射膜层上的半透半反膜层的材料应选取折射率介于其下层的金属反射膜层两种金属折射率之间，如对铜(折射率为1.10)和铝(折射率为1.44)构成的金属反射膜层可以选择氟化镁(折射率为1.378)作为半透半反膜层材料，对金(折射率为0.47)和铬(折射率为2.97)构成的金属反射膜层可以选择氟化镁(折射率为1.378)、氯化镁(折射率为1.559)、或硫酸锌(折射率为2.358)中任一种作为半透半反膜层材料，半透半反膜是一种比较成熟的产品，有许多生产厂家，如北京市京南应用技术研究所，半透半反膜的折射率在工艺上还可以通过掺杂等方法进行适当改变。增透膜层溅镀在半透半反膜的表面，增透膜层的材料为透过率高的材料，如二氧化硅、磷酸二氢钾和二氧化钛等，该膜层的厚度变化通过溅镀实现，这种溅镀方法技术成熟，成本低。国内的许多厂家如长春理晶光电材料有限公司，都可以定制生产。

Claims (4)

1.一种反射式艾里环衍射光栅，呈叠层结构，其特征是由下至上依次是基板层（4）、金属反射膜层（3）、半透半反膜层（2）和增透膜层（1），其中的金属反射膜层由配对的两种不同金属反射膜（5，6）一一间隔拼合成，呈圆形和同轴环形方式拼合，半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。

2.如权利要求1所述的反射式艾里环衍射光栅，其特征是所说的金属反射膜层（3）由金、银、铜、铝和铬中任两种金属反射膜（5，6）拼合成。

3.如权利要求1所述的反射式艾里环衍射光栅，其特征是所说的半透半反膜层（2）为氟化镁膜层、氯化镁膜层或硫化锌膜层中的任一种。

4.如权利要求1所述的反射式艾里环衍射光栅，其特征是所说的增透膜层（1）为二氧化硅膜层、磷酸二氢钾膜层或二氧化钛膜层等中的任一种。

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