CN106908957B - 一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统，其中的方法包括对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；以及，量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。本发明的技术方案制作过程简单且不需增加其它装置，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够快速且准确地实现对激光的整形，输出四点对称激光束，有效抑制输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

Description

一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统

技术领域

本发明涉及光学元件设计技术领域，具体涉及一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统。

背景技术

激光应用领域的逐步扩大对激光束的光强分布提出了多种特殊的要求，例如在光计算与光学测量中要求激光束的振幅及相位均匀分布，在惯性约束核聚变等强激光光学中要求激光光斑呈无旁瓣的平顶分布，在激光强化表面处理中需要多点分布光束等。对传统激光束进行整形成为解决这些问题的关键。基于衍射光学原理的光束整形技术，能够实现任意的波前变换，可以将原始激光束整形为满足特定空间强度分布需求的光束。并且，衍射光学元件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选范围广和色散性能独特等特点，能实现传统光学器件难以完成的阵列化、集成化及任意波面变换等功能，在光束整形领域中具有广阔的应用前景。衍射光学元件的位相设计基于迭代的快速傅里叶变换算法，此方法使得在焦平面上的光轴处总会产生未衍射的零级光。由于零级光的存在会引起不必要的亮区和相应的热作用，进而对衍射光学元件的发展带来了局限。基于以上原因，在衍射光学元件的设计中迫切需要对零级光的抑制。

在四点对称激光束的设计中，基于输入高斯光束和输出对称四点整形光束的已知条件，采用迭代快速傅里叶变换算法设计位相后，输出的整形光束在对称四点光束的中心会产生能量较高的零级光。零级光的存在，往往会影响整形输出光束的应用效果，对零级光的抑制消减成为必然。

目前，在四点对称激光束的设计中，为了降低零级光的影响，常用的途径是将投射光束远离光轴，但此方法中零级光能量没有消减，会使整形光束的衍射效率降低，并且会带来不必要的像差。目前还有其他抑制零级光的方法，但往往会引起结构复杂、成本提高等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统，制作过程简单且不需增加其它装置，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够快速且准确地实现对激光的整形，输出四点对称激光束，有效抑制输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法，所述方法包括：

对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；

根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；

以及，量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。

进一步的，所述对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束，包括：

根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束；

以及，根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。

进一步的，所述根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束，包括：

获取用于制备衍射光学元件的本体的正方形位相区域的边长以及所述高斯光束的束腰半径；

以及，根据所述正方形位相区域的边长和所述高斯光束的束腰半径，以光强截取的方式确定所述目标输入光束的光强分布。

进一步的，所述根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据，包括：

将所述目标输入光束和目标输出光束进行快速傅里叶变换计算，基于优化的G-S相位恢复算法得到衍射光学元件的目标位相数据。

进一步的，所述根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据，之后还包括：

将所述高斯光束模拟射入所述目标位相数据组成的相位分布中，检测得到所述高斯光束的输出光束为所述四点对称激光束；

以及，记录所述目标位相数据组成的相位分布。

进一步的，所述量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件，包括：

量化所述目标位相数据，并获取量化后的所述目标位相数据对应的刻蚀深度值；

以及，根据所述刻蚀深度值，以光刻和刻蚀的方式制作得到多台阶结构的衍射光学元件。

进一步的，所述方法还包括：

根据表面轮廓仪对所述衍射光学元件的刻蚀深度进行测量；

以及，根据测量结果计算得到所述衍射光学元件的制作误差。

进一步的，所述方法还包括：

在制作得到所述衍射光学元件后，检测所述衍射光学元件输出的光束的光强分布；

以及，根据检测结果判断当前的衍射光学元件是否输出所述四点对称激光束。

另一方面，本发明还提供了一种用于激光整形的衍射光学元件的获取系统，所述系统包括：

修正模块，用于对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；

目标位相数据获取模块，用于根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；

衍射光学元件获取模块，用于量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。

进一步的，所述修正模块，包括：

输入光束修正单元，用于根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束；

输出光束修正单元，用于根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法及系统，其中的方法包括对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；以及，量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。本发明的技术方案制作过程简单且不需增加其它装置，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够快速且准确地实现对激光的整形，输出四点对称激光束，有效抑制输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的一种具体实施方式的流程示意图。

图2是本发明的用于激光整形的衍射光学元件输出的四点对称光束的截面结构示意图。

图3是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤100的流程示意图。

图4是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的中步骤101的流程示意图。

图5是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的中步骤A00的流程示意图。

图6是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的中步骤300的流程示意图。

图7是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的中步骤400的流程示意图。

图8是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的中步骤500的流程示意图。

图9是本发明的应用实例中的用于激光整形的衍射光学元件的对高斯光束进行整形的原理示意图。

图10是本发明的应用实例中的用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的流程示意图。

图11是本发明的应用实例中的原始入射光束和光强截取修正后的入射光束的示意图。

图12是本发明的应用实例中的用于激光整形的衍射光学元件位相分布的示意图。

图13是本发明的应用实例中的量化的三组位相数据的示意图。

图14是本发明的应用实例中的用于激光整形的衍射光学元件的刻蚀深度测量的示意图。

图15是本发明的应用实例中的四点对称激光束的实验测试结果的示意图。

图16是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取系统的结构示意图。

图17是本发明的用于激光整形的衍射光学元件的获取系统中修正模块10的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例一提供了一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的一种具体实施方式，参见图1，所述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法具体包括如下步骤：

步骤100：对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束。

在本步骤中，对衍射过程中高斯光束的输入光束进行光强分布的修正，并对输出光束进行均匀目标修正，得到目标输入光束和目标输出光束，为后续得到目标相位提供数据基础。

步骤200：根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据。

在本步骤中，根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据的方法可以为通过优化的G-S(Gerchberg-Saxton)相位恢复算法寻求最优的位相分布，也可以基于快速傅里叶变换算法，并且利用优化ST算法寻找最优位相数据。

步骤300：量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。

在本步骤中，量化所述目标位相数据，并获取量化后的所述目标位相数据对应的刻蚀深度值；而后根据所述刻蚀深度值以光刻和刻蚀的方式制作得到多台阶结构的衍射光学元件，且由于上述的位相数据，该衍射光学元件能够输出四点对称激光束，其中，如图2所示，四点对称光束为四个互相叠加且均匀分布在同一个外切圆内的四个光束。

从上述描述可知，本发明的实施例的制作过程简单且没有增加其它装置，通过在衍射光学元件位相设计算法中修正了输入和输出光束分布，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够输出快速且准确地实现对激光的整形，四点对称激光束，有效抑制输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

本发明的实施例二提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤100的一种具体实施方式，参见图3，所述步骤100具体包括如下内容：

步骤101：根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束。

步骤102：根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。

从上述描述可知，本发明的实施例利用光强截取和均匀目标设定的方法修正了输入和输出的激光束光强分布，并寻求最优的位相分布，保证了衍射光学元件能够输出四点对称激光束，有效抑制输出光束的零级光的产生。

本发明的实施例三提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤101的一种具体实施方式，参见图4，所述步骤101具体包括如下内容：

步骤101a：获取用于制备衍射光学元件的本体的正方形位相区域的边长以及所述高斯光束的束腰半径。

步骤101b：根据所述正方形位相区域的边长和所述高斯光束的束腰半径，以光强截取的方式确定所述目标输入光束的光强分布。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了对输入光束进行修正的一种具体实施方式，使得得到的目标输入光束数据准确且可靠。

在一种具体实施方式中，所述步骤200具体包括如下内容：

将所述目标输入光束和目标输出光束进行快速傅里叶变换计算，基于优化的G-S相位恢复算法得到衍射光学元件的目标位相数据。

本发明的实施例四提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤200之后的步骤A00的一种具体实施方式，参见图5，所述步骤A00具体包括如下内容：

步骤A01：将所述高斯光束模拟射入所述目标位相数据组成的相位分布中，检测得到所述高斯光束的输出光束为所述四点对称激光束。

步骤A02：记录所述目标位相数据组成的相位分布。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了目标位相数据的检测方式，确保后续根据该目标位相数据制得的衍射光学元件准确且有效。

本发明的实施例五提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤300的一种具体实施方式，参见图6，所述步骤300具体包括如下内容：

步骤301：量化所述目标位相数据，并获取量化后的所述目标位相数据对应的刻蚀深度值。

步骤302：根据所述刻蚀深度值，以光刻和刻蚀的方式制作得到多台阶结构的衍射光学元件。

从上述描述可知，本发明的实施例给出了根据目标位相数据制得衍射光学元件的具体方式，其制作方法简单且制作过程效率高。

本发明的实施例六提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤400的一种具体实施方式，参见图7，所述步骤400具体包括如下内容：

步骤401：根据表面轮廓仪对所述衍射光学元件的刻蚀深度进行测量。

步骤402：根据测量结果计算得到所述衍射光学元件的制作误差。

从上述描述可知，本发明的实施例通过对衍射光学元件的制作误差进行测量，对衍射光学元件的制作准确度进行验证。

本发明的实施例七提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取方法中步骤500的一种具体实施方式，参见图8，所述步骤500具体包括如下内容：

步骤501：在制作得到所述衍射光学元件后，检测所述衍射光学元件输出的光束的光强分布。

步骤502：根据检测结果判断当前的衍射光学元件是否输出所述四点对称激光束。

从上述描述可知，本发明的实施例通过对衍射光学元件是否输出所述四点对称激光束进行检测，保证了衍射光学元件的使用的可靠性

为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法的应用实例，具体包括如下内容：

本应用例在四点对称激光束的设计中，仅对输入和输出光束进行了修正，在修正后的输入输出光束基础上，采用快速傅里叶变换和ST改进算法，计算出衍射光学元件的位相分布。当将原始高斯光束作为输入光束作用到此位相上时，输出的整形光束即为四点对称激光束，其设计简单且没有增加其它装置，输出的光束本身具有低零级的特性，不会产生不必要的像差影响。

本发明在产生四点对称激光束的衍射光学元件位相设计算法中，利用光强截取和均匀目标设定的方法修正了输入和输出的激光束光强分布，并基于优化的G-S算法(Gerchberg-Saxton)去寻求最优的位相分布。将原始高斯光束入射到此位相分布后，出射光束即为所需要的低零级的四点对称激光束。其设计原理图如图9所示。

入射的高斯光束可表达为：

I＝exp[-2(x²+y²)/ω²] (1)

ω是入射光束束腰半径。在位相求解过程中，入射光束的光强分布利用光强截取的方法进行修正，满足如下表达式：

L是衍射光学元件的边长。输出光束的光强分布利用均匀目标设定的方法进行修正，即将输出的光束设定为均匀平顶整形光束，此修正后的均匀平顶整形光束与所需的四点对称激光束的关系如图2所示。

对称四点整形光束由光束1,光束2,光束3和光束4组成，每个光束上的光强分布是相同的。并且，修正后的均匀平顶整形光束的直径与对称四点整形光束的外切圆直径相等。

衍射光学元件的位相设计基于快速傅里叶变换算法，并且利用优化ST算法寻找最优位相数据。衍射光学元件被划分成N×N个采样点，采样间距由以下表达式计算：

Δ＝λd/φ_in (3)

φ_in是入射面的尺寸，λ是入射光的波长，d是输入和输出面之间的距离。由此公式，输入和输出平面的采样点数可以被计算出。利用ST优化算法，寻求出最优的位相数据，即为衍射光学元件的位相。之后将入射光束重新定义为原始高斯分布光束，将其作为入射光再次作用到此位相分布上，模拟计算此时所得的整形输出光束分布即为低零级对称四点整形光束。

将位相数据量化后，通过光刻和刻蚀多台阶结构来制作衍射光学元件。利用表面轮廓仪测量出刻蚀深度，计算衍射光学元件的制作误差。

衍射光学元件制作完成后，搭建整形效果检测光路。利用CCD检测整形输出光束的光强分布，从而判断此设计方法是否能实现低零级四点对称激光束。

综上所述，产生低零级四点对称激光束的衍射光学元件设计方法新颖，技术方案明确，整个设计思路作为一个闭环总体，如图10所示。

在一种衍射光学元件的获取方法的举例中，入射光束为高斯分布光束，束腰半径取4.9507mm，波长为532nm。衍射光学元件尺寸为10mm×10mm。聚焦透镜的焦距为10mm，输出修正后的均匀平顶整形光束的直径为2微米。利用光强截取修正后的入射光束和原始入射光束如图11所示，计算所得衍射光学元件的位相数据如图12所示，采用原始高斯光束入射到此位相后，输出的光束即为低零级的四点对称激光束。

将计算所得的位相数据量化为π,π/2andπ/4的三组位相数据，如图13所示。对应的刻蚀深度分别是0.59μm,0.30μm和0.15μm。利用表面轮廓仪测量的刻蚀深度如图14所示。可看到此衍射光学元件的制作误差在10％以内。

衍射光学元件制作完成后，搭建整形效果检测光路。利用CCD检测整形输出光束的光强分布，检测结果如图15所示，从图15中可以看出此设计方法可以实现低零级四点对称激光束。

从上述描述可知，采用此方法在产生四点对称激光束的同时，抑制了零级光强，满足了设计要求，通过在衍射光学元件位相设计算法中修正了输入和输出光束分布，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够快速且准确地实现对激光的整形，输出四点对称激光束，有效抑制的输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

本发明的实施例八提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取系统的一种具体实施方式，参见图16，所述衍射光学元件的获取系统具体包括如下内容：

修正模块10，用于对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束。

目标位相数据获取模块20，用于根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据。

衍射光学元件获取模块30，用于量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件。

从上述描述可知，本发明的实施例的制作过程简单且没有增加其它装置，通过在衍射光学元件位相设计算法中修正了输入和输出光束分布，使得通过本方法制作的衍射光学元件能够输出四点对称激光束，有效抑制的输出光束的零级光的产生，避免像差影响的产生。

本发明的实施例九提供了上述用于激光整形的衍射光学元件的获取系统中修正模块10的一种具体实施方式，参见图17，所述修正模块10具体包括如下内容：

输入光束修正单元11，用于根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束。

输出光束修正单元12，用于根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。

从上述描述可知，本发明的实施例利用光强截取和均匀目标设定的方法修正了输入和输出的激光束光强分布，并寻求最优的位相分布，保证了衍射光学元件能够快速且准确地实现对激光的整形，输出四点对称激光束，有效抑制的输出光束的零级光的产生。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于激光整形的衍射光学元件的获取方法，其特征在于，所述方法包括：

对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；

根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；

以及，量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出四点对称激光束的衍射光学元件；

其中，所述对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束，包括：

根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束；

以及，根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束，包括：

获取用于制备衍射光学元件的本体的正方形位相区域的边长以及所述高斯光束的束腰半径；

以及，根据所述正方形位相区域的边长和所述高斯光束的束腰半径，以光强截取的方式确定所述目标输入光束的光强分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据，包括：

将所述目标输入光束和目标输出光束进行快速傅里叶变换计算，基于优化的G-S相位恢复算法得到衍射光学元件的目标位相数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据，之后还包括：

将所述高斯光束模拟射入所述目标位相数据组成的相位分布中，检测得到所述高斯光束的输出光束为所述四点对称激光束；

以及，记录所述目标位相数据组成的相位分布。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出所述四点对称激光束的衍射光学元件，包括：

量化所述目标位相数据，并获取量化后的所述目标位相数据对应的刻蚀深度值；

以及，根据所述刻蚀深度值，以光刻和刻蚀的方式制作得到多台阶结构的衍射光学元件。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据表面轮廓仪对所述衍射光学元件的刻蚀深度进行测量；

以及，根据测量结果计算得到所述衍射光学元件的制作误差。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在制作得到所述衍射光学元件后，检测所述衍射光学元件输出的光束的光强分布；

以及，根据检测结果判断当前的衍射光学元件是否输出所述四点对称激光束。

8.一种用于激光整形的衍射光学元件的获取系统，其特征在于，所述系统包括：

修正模块，用于对衍射过程中高斯光束的输入光束和输出光束进行修正，得到目标输入光束和目标输出光束；

目标位相数据获取模块，用于根据所述目标输入光束和目标输出光束获取衍射光学元件的目标位相数据；

衍射光学元件获取模块，用于量化所述目标位相数据，并根据量化后的所述目标位相数据制作得到用于输出四点对称激光束的衍射光学元件；

其中，所述修正模块，包括：

输入光束修正单元，用于根据所述输入光束的光强分布对所述输入光束进行修正，得到所述目标输入光束；

输出光束修正单元，用于根据预设的四点对称激光束的分布形态确定所述四点对称激光束的外切圆直径，将所述四点对称激光束的外切圆直径设定为所述高斯光束的目标输出光束的直径。