CN105242398A - 一种六方型泰伯阵列照明器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六方型泰伯阵列照明器及制备方法，其方法具体包括以下步骤：设置六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，对应设置M×N个相同尺寸的正六边形基元，以及基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ；通过六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，以及基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ，计算得到每一个基元在对应位置处的相位值计算得到每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn，确定每一个基元的几何结构；将M×N个基元按位置参数(m，n)紧密排列，生成二元相位分布图；根据二元相位分布图，制备六方型泰伯阵列照明器。相对现有技术，本发明实现强度均匀分布、产生高衍射效率和高压缩比。

Description

一种六方型泰伯阵列照明器及制备方法

技术领域

本发明涉及光学阵列照明器技术领域，特别涉及一种六方型泰伯阵列照明器及制备方法。

背景技术

光学阵列照明器或分束器是一类新的衍射光学元件，它的作用是可以把入射光束分割成规则排列的点阵结构，实现均匀分配光功率、多通道互连及微图形传输等功能；光学阵列照明器具有高速性与并行性，其在光计算、光通信及光电混合处理等领域有着广泛的应用价值。

目前，有多种方法可以用来实现阵列光斑的产生，比如利用微透镜阵列、普通光栅和达曼光栅等；但是，微透镜阵列和普通的衍射光栅产生的阵列光斑的强度分布不均匀；达曼光栅可以产生强度均匀分布的阵列光斑，但是达曼光栅产生的阵列光斑的数目受到限制，并且达曼光栅的衍射效率随着阵列光斑数目的增大而减小，因此利用达曼光栅不能产生高衍射效率、高压缩比和大数目的阵列光斑。

利用分数泰伯效应制作的泰伯阵列照明器，可产生强度均匀分布、高衍射效率以及任意压缩比的阵列光斑；并且在各个分数泰伯距离处可出现不同的分束比放大，即以较少的光栅单元数而获得更多的阵列光斑数目【Opt.Lett.15,288(1990)；美国专利US5124843】；但是泰伯阵列光斑产生器都是基于一个多阶的相位板，要获得高衍射效率、高压缩比、大数目的阵列光斑，所需要的相位阶数将会越高；但目前的加工工艺很难制作这种高阶的相位板，且加工工艺过程复杂，制作出的相位板价格昂贵，难于复制，很难在实际中得到应用。其次，现有阵列光斑产生技术主要针对的是正交型的点阵结构，鲜有技术能够实现产生六方型的阵列光斑。虽然已有报道【IEEEJ.QUANTUM.ELECT.49,471(2013)；Opt.Lett.27,228(2002)】产生六方型点阵结构的光斑，但是此技术还是受限于多个相位阶数，很难加工高阶的六方型的泰伯阵列照明器用以产生高衍射效率、高压缩比的六方型阵列光斑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术所存在的问题和不足，提供一种实现强度均匀分布、产生高衍射效率和高压缩比的六方型泰伯阵列照明器及制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种六方型泰伯阵列照明器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，对应设置M×N个相同尺寸的正六边形基元，以及每一个基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ；

步骤2：通过六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，以及基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ，计算得到每一个基元在对应位置处的相位值

步骤3：根据每一个基元的相位值计算得到每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn，进而确定每一个基元的几何结构；

步骤4：根据每一个基元的几何结构将M×N个基元按位置参数(m，n)紧密排列，生成二元相位分布图；

步骤5：根据二元相位分布图，制备六方型泰伯阵列照明器。

进一步，所述步骤2中的每一个基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

进一步，所述步骤3中每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形基元中两个相互平行的边长之间的垂直距离。

本发明的有益效果是：本方法制备的照明器是纯相位的二元器件，方法简单，易于加工和复制，加工成本低；可以实现强度均匀分布、高压缩比、大数目的六方型点阵结构阵列光斑；本发明可以产生任意压缩比的六方型阵列光斑，特别是高压缩比的阵列光斑；本方法只需通过控制基元大小，衍射光学元件的尺寸与压缩比，制备的照明器可以产生任意周期的六方型阵列光斑；本方法制备的照明器结构简单，可广泛应用于光计算、光通信及光电混合处理等领域。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种六方型泰伯阵列照明器，包括M×N个尺寸相同正六方形的基元，所述基元按位置参数(m，n)紧密排列成照明器本体，所述照明器本体在设定的衍射距离处将相干平面光聚焦为六方型点阵结构的光斑。

进一步，每个所述基元均包括正六方形的第一通光孔和正六方形的第二通光孔，所述第二通光孔置于所述第一通光孔内，且所述第二通光孔的中心与所述第一通光孔的中心之间设置有相对位移δ_mn。

进一步，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间的相位差为π。

进一步，所述第二通光孔的边长为第一通光孔边长的一半。

进一步，所述第二通光孔的中心与第一通光孔的中心之间的相对位移δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形中两个相互平行的边长之间的距离；

表示正六边形基元在对应位置处的相位值，且其取值范围为[-π，π]。

进一步，所述基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

进一步，所述衍射距离z_T具体为：

$z_T=\frac{3d^2}{2\mathrm{\γ}\mathrm{\λ}}$

其中，d为六方型点阵中相邻两个焦点之间的最短距离，γ为压缩比，取值为正整数，λ为激光波长。

本发明的有益效果是：本装置为纯相位的二元器件，易于加工和复制，加工成本低；可以实现强度均匀分布、高压缩比、大数目的六方型点阵结构阵列光斑；本装置可以产生任意压缩比的六方型阵列光斑，特别是高压缩比的阵列光斑；本装置只需通过控制基元大小，衍射光学元件的尺寸与压缩比，可以产生任意周期的六方型阵列光斑；本装置结构简单，可广泛应用于光计算、光通信及光电混合处理等领域。

附图说明

图1为本发明一种六方型泰伯阵列照明器产生方法的流程图；

图2为本发明本发明基元的第一种相位分布示意图；

图3为本发明本发明基元的第二种相位分布示意图；

图4为压缩比为γ＝24的二元相位分布图；

图5为本发明的压缩比为γ＝24时特定距离处的强度分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，一种六方型泰伯阵列照明器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，对应设置M×N个相同尺寸的正六边形基元，以及每一个基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ；

步骤2：通过六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，以及基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ，计算得到每一个基元在对应位置处的相位值

步骤3：根据每一个基元的相位值计算得到每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn，进而确定每一个基元的几何结构；

步骤4：根据每一个基元的几何结构将M×N个基元按位置参数(m，n)紧密排列，生成二元相位分布图；

步骤5：根据二元相位分布图，制备六方型泰伯阵列照明器。

优选的，所述步骤2中的每一个基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

优选的，所述步骤3中每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形基元中两个相互平行的边长之间的垂直距离。

一种六方型泰伯阵列照明器，包括M×N个尺寸相同正六方形的基元，所述基元按位置参数(m，n)紧密排列成照明器本体，所述照明器本体在设定的衍射距离处将相干平面光聚焦为六方型点阵结构的光斑。

优选的，每个所述基元均包括正六方形的第一通光孔和正六方形的第二通光孔，所述第二通光孔置于所述第一通光孔内，且所述第二通光孔的中心与所述第一通光孔的中心之间设置有相对位移δ_mn。

优选的，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间的相位差为π。

优选的，所述第二通光孔的边长为第一通光孔边长的一半。

优选的，所述第二通光孔的中心与第一通光孔的中心之间的相对位移δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形中两个相互平行的边长之间的距离；

表示正六边形基元在对应位置处的相位值，且其取值范围为[-π，π]。

优选的，所述基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

优选的，所述衍射距离zT具体为：

$z_T=\frac{3d^2}{2\mathrm{\γ}\mathrm{\λ}}$

其中，d为六方型点阵中相邻两个焦点之间的最短距离，γ为压缩比，取值为正整数，λ为激光波长。

实施例2：

本发明的基本思想是：首先，基于分数泰伯效应的理论分析给出的六方型泰伯阵列照明器的纯相位分布公式【J.Opt.Soc.Am.A25,203(2008)】，获得任意阶数的高压缩比的分数泰伯阵列的相位分布；然后，根据迂回相位编码原理【Appl.Opt.5,967(1966)】，将六方型泰伯阵列照明器中的多阶相位板进行二元化处理：将整个六方型泰伯阵列照明器分成紧密排列的正六边形抽样单元，将一个小的正六边形通光孔放入每一个抽样单元当中，通过改变小的正六边形通光孔的中心与抽样中心之间的位置来对相位进行编码；最后，将六方型泰伯阵列照明器中每个基元的多阶相位分布编码成二元(0，π)分布，从而将多阶的泰伯阵列照明器转化为二元的阵列照明器。

以下以入射光波波长λ＝532nm，基元宽度Δ＝30um，衍射光学元件的尺寸为4.6mm×4mm为例；

图2所示是本发明六方型泰伯阵列照明器中基元的第一种相位分布示意图。如图所示，基元为在一个相位为0的正六边形通光孔中加入一个相位为π的较小的正六边形通光孔；对于这种纯相位二元结构，可以采用成熟的光电子制备工艺光刻和湿法/干法刻蚀相结合的方法来加工；本实施例中选用入射光波长为532nm，折射率为1.515的BK7玻璃为基底，则对应的刻蚀深度为517nm；图3所示是本发明六方型泰伯阵列照明器中基元的第二种相位分布示意图；对于本发明六方型泰伯阵列照明器中基元的两种相位分布，产生阵列光斑的效果是一样的；本实施例中以第一种为例说明实施效果。

本实施例中正六边形基元的宽度为Δ＝30um；较小六边形通光孔的宽度为Δ/2＝15um。第二通光孔的几何中心与第一通光孔的几何中心之间有相对位移δ_mnΔ，位移沿矩形短边x方向，其相对位移量δ_mn与基元所处的位置参数m，n有关，具体为：

其中，

其中，公式(2)中的γ表述压缩比，其取值为正整数；L为规定γ的取值范围的值，取值为0或正整数。其中，的取值范围为[-π，π]。

因此，通过公式(1)与公式(2)，可以求出六方型泰伯阵列照明器中所有基元的相对位移，进而确定每个基元的几何结构，然后将所有基元按相应的位置参数紧密排列，得到了二元六方型泰伯阵列照明器的相位分布图。

图4所示为压缩比为正偶数γ＝24时六方型泰伯阵列照明器的二元纯相位分布图。根据图4所示的二元纯相位分布，加工制得六方型泰伯阵列照明器，进而应用此六方型泰伯阵列照明器可产生高压缩比的六方型阵列光斑。

在本实例中，由上述参数求得z_T＝60.9mm。当一束波长为532nm的平面光波透过六方型泰伯阵列照明器后在z_T衍射距离处，将得到六方型的阵列光斑。图5所示，即为衍射距离为60.9mm处时的衍射光强度分布，从图5中看出，此衍射距离处产生了六方型点阵结构的阵列光斑。

可见，本发明可以产生六方型点阵结构的阵列光斑，这种二元的泰伯阵列照明器，现实的制作工艺完全可以满足，结构简单，易于加工和复制，成本较低，因此可以广泛的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六方型泰伯阵列照明器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设置六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，对应设置M×N个相同尺寸的正六边形基元，以及每一个基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ；

步骤2：通过六方型阵列光斑在两个方向上的数目值M和N，以及基元的垂直距离△和光斑压缩比值γ，计算得到每一个基元在对应位置处的相位值

步骤3：根据每一个基元的相位值计算得到每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn，进而确定每一个基元的几何结构；

步骤4：根据每一个基元的几何结构将M×N个基元按位置参数(m，n)紧密排列，生成二元相位分布图；

步骤5：根据二元相位分布图，制备六方型泰伯阵列照明器。

2.根据权利要求1所述一种六方型泰伯阵列照明器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的每一个基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

3.根据权利要求1所述一种六方型泰伯阵列照明器的制备方法，其特征在于，所述步骤3中每一个基元中第二通光孔的中心与基元第一通光孔的中心的相对位移值δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形基元中两个相互平行的边长之间的距离。

4.一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于：包括M×N个尺寸相同正六方形的基元，所述基元按位置参数(m，n)紧密排列成照明器本体，所述照明器本体在设定的衍射距离处将相干平面光聚焦为六方型点阵结构的光斑。

5.根据权利要求4所述的一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于，每个所述基元均包括正六方形的第一通光孔和正六方形的第二通光孔，所述第二通光孔置于所述第一通光孔内，且所述第二通光孔的中心与所述第一通光孔的中心之间设置有相对位移δ_mn。

6.根据权利要求5所述的一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于，所述第一通光孔与所述第二通光孔之间的相位差为π。

7.根据权利要求5所述的一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于，所述第二通光孔的边长为第一通光孔的边长的一半。

8.根据权利要求5所述的一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于，所述第二通光孔的中心与第一通光孔的中心之间的相对位移δ_mn具体为：

其中，Δ：是表示正六边形中两个相互平行的边长之间的距离；

表示正六边形基元在对应位置处的相位值。

9.根据权利要求8所述的一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于，所述基元在对应位置处的相位值具体为：

其中，γ：表述压缩比，取值为正整数；

L：规定γ的取值范围的值；

上述的相位值的取值范围为[-π，π]。

10.根据权利要求4至9任一项所述一种六方型泰伯阵列照明器，其特征在于：所述衍射距离z_T具体为：

$z_T=\frac{3d^2}{2\mathrm{\γ\λ}}$

其中，d为六方型点阵中相邻两个焦点之间的最短距离，γ为压缩比，取值为正整数，λ为激光波长。