CN108594445A - 一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，属于激光应用技术领域。当激光入射到分振幅型的分束器件的分束界面时，激光被分为透射光和反射光两束激光；透射光入射到反射镜上，被反射后返回至分束器件；同时，反射光入射到反射式相位型液晶空间光调制器上并原路返回至分束器件；当两束激光经过反射再次返回分束器件时，在分束器件处合束形成出射激光，此时两束激光相干形成干涉图案。通过空间光调制器对于相位的整形，所形成的干涉图案能够被整形成任意几何形状，并具有任意的能量分布。该方法所需搭建光路简单，使用方便，具有很强的实用性，通过整形所形成的干涉图案能够在激光微纳加工领域中的图案化加工研究中起到重要的作用。

Description

一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法
技术领域
本发明涉及一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，属于激光应用技术领域。
背景技术
近些年来，由于激光的优越特性，激光被广泛应用到高精度高质量的材料加工中去，众多激光加工的工艺和方法被不断提出和完善。在这些方法当中，光场的图案化整形吸引了越来越多的关注。在激光制造中一步实现图案化加工可以大大提高加工效率，因此可以应用到例如超材料的天线阵列、超级电容的梳齿、微流控器件通道等结构的加工中。
干涉是激光微纳加工中图案化整形的重要手段之一，但是传统的干涉方法所产生的干涉图案比较单一、固定，通常为平行条纹或者同心圆，无法满足激光微纳加工中对于灵活性的要求。除此之外，使用数字微镜元件(DMD)直接加载图形掩膜对激光进行振幅整形也是图案化整形的方法之一。使用该方法可以方便快速地实现任意几何形状的整形，但是该方法在图案化整形的过程中无法控制整形结果中的光强分布，也对激光加工带来了一定灵活性上的局限。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有传统方法所产生的干涉图案固定、单一的问题，提供一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法。该方法可以将干涉光场整形成任意需求的几何形状，同时能够具有任意的光场强度分布。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，当激光入射到分振幅型的分束器件的分束界面时，激光被分为透射光和反射光两束激光；透射光入射到反射镜上，被反射之后保持原有相位分布不变原路返回至分束器件；同时，反射光入射到反射式相位型液晶空间光调制器上，反射式相位型液晶空间光调制器能够对反射光进行相位调制，使得反射光在空间上具有任意的相位分布,并原路返回至分束器件；当两束激光经过反射再次返回分束器件时，在分束器件处合束形成出射激光，此时两束激光相干形成干涉图案。
其中，分振幅型的分束器件一方面被用于将入射激光分为两束激光。另一方面该分束器件又被用于两束反射激光合束；
其中，反射式相位型液晶空间光调制器一方面被用于充当反射镜的作用，将由分束器件分出的一路激光原路反射；另一方面空间光调制器能够对入射的激光进行相位调制，实现将干涉图案整形成任意的几何形状并具有任意的光场强度分布；
其中，反射镜被用于将从分束器件分出的另一路激光原路反射；
其中，当光源为脉冲激光时，一维直线平移台上被用于调整反射镜的前后位置从而调整光程，使反射的激光脉冲能够同时到达分束器件。
有益效果
1、本发明在该迈克尔逊干涉仪的基础上，使用反射式相位型液晶空间光调制器替换其中一个反射镜，在未提高光路复杂程度的前提下，可以根据需求，通过对加载相位的设计，实现将干涉光场整形成任意几何形状；
2、在实现任意几何形状的光场整形的同时，整形所得到的结果能够具有任意的光场强度分布。
附图说明
图1为本发明一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法的光路搭建示意简图。
其中，1-反射式相位型液晶空间光调制器、2-分振幅型的分束器件、3-一维直线平移台、4-反射镜、5-入射激光、6-整形之后的激光。
图2为干涉光场图案化整形示例所用相位及其整形光场结果。
图3为干涉光场光场强度整形示例示例所用相位及其整形光场结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
被整形的光源为任意可相干的激光，包括连续激光、纳秒/皮秒/飞秒激光。
为实现将干涉光场整形成任意几何形状并具有任意光强分布，该方法需要进行专用的光路搭建，光路搭建如图1所示，由反射式相位型液晶空间光调制器1、分振幅型的分束器件2、一维直线平移台3和反射镜4组成；
当激光6以45°的入射角入射到分振幅型的分束器件2的分束界面时，如图1所示，激光6被分为透射光和反射光两束激光，两束激光夹角90°。之后两束激光分别垂直入射(即入射角为0°)到反射式相位型液晶空间光调制器1和反射镜4上，被反射之后原路返回至分振幅型的分束器件2。其中，入射到反射镜4的激光保持原有相位分布不变原路返回至分振幅型的分束器件2；反射式相位型液晶空间光调制器1能够对另一束激光进行相位调制，使得反射的激光在空间上具有任意的相位分布,并原路返回至分振幅型的分束器件2。
当两束激光经过反射再次返回分振幅型的分束器件2时，在分振幅型的分束器件2处合束形成出射激光5，此时两束激光相干形成干涉图案。根据之前激光传播到各个光学器件的入射角度，此时两束激光传播方向完全相同。因此若反射式相位型液晶空间光调制器1未对入射的激光进行相位整形时，两束激光在空间各处的相位差一致；若反射式相位型液晶空间光调制器1对入射激光进行相位调制时，两束激光在空间各处的相位差发生变化，从而改变相对应位置干涉光强。干涉光强与相位差的对应关系满足以下公式：
其中，IS是干涉光强，I是单束相干光的光强，Δθ是两束相干光的相位差，由此可知，控制0到π的相位差能够从0开始连续控制干涉光强。所以，通过反射式相位型液晶空间光调制器1可以实现任意的相位差分布，其中相位差为π的部分光强变为0，其余的相位差非π的部分则构成了预期的几何图形，所形成的几何图形的不同部分依据相位差的不同具有不同的干涉光强。至此，通过该光路实现了将干涉图案整形成任意的几何形状的同时具有任意的光场强度分布。
当入射激光6为连续激光时，不需要调整一维直线平移台3就能够获得干涉图案，然而当入射激光6为脉冲激光时，为了使两路反射激光相干，此时需要使用一维直线平移台3上调整反射镜4的前后位置从而调整光程，使反射的激光脉冲能够同时到达分振幅型的分束器件2。其他操作步骤与激光传播路径与之前保持一致。
基于该方法所整形获得的干涉图案若要被用于激光微纳加工，一般需要将所获得的图案缩小并映射在目标加工材料表面。此时为保证在转移图案的过程中保持相位差不变，应该使用望远系统进行图案的缩小转移而不能使用物镜或者透镜直接成像。放大或者等大转移图案同理，也应该使用扩束系统或者4f系统对获得的干涉图案进行转移重构。
实施例2
本实施例中通过具体的相位设计及其对应的整形结果来进一步具体说明该发明。
如图2所示，左侧为加载在空间光调制器1上的相位图，相位为0的部分组成了字母B的形状，其余部分相位全部为π。当激光经过图1所示的光路整形过后，其光场分布变成了图2右侧所示。相位图上相位为π所对应的区域光强为零，而相位为0的区域所对应的光强非零的部分则组成了字母B的形状，该形状与相位图完全一致。因此，当需要整形成其他图案时，只需要将相位设计成所需要的图形即可。
为了控制整形光场的光强分布，只需通过设计对应的相位分布即可。如图3所示，当所加载的相位图的相位被设计连续变化的相位分布时，通过整形所产生的光场强度与之相对应地呈现出连续变化的状态。因此通过空间光调制器1控制相位可以控制对应所整形光场的光强。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，其特征在于：当激光入射到分振幅型的分束器件的分束界面时，激光被分为透射光和反射光两束激光；透射光入射到反射镜上，被反射之后保持原有相位分布不变原路返回至分束器件；同时，反射光入射到反射式相位型液晶空间光调制器上，反射式相位型液晶空间光调制器能够对反射光进行相位调制，使得反射光在空间上具有任意的相位分布,并原路返回至分束器件；当两束激光经过反射再次返回分束器件时，在分束器件处合束形成出射激光，此时两束激光相干形成所设计形状的干涉图案。
2.如权利要求1所述的一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，其特征在于：所述反射式相位型液晶空间光调制器对入射激光进行相位调制时，两束激光在空间各处的相位差发生变化，从而改变相对应位置干涉光强；干涉光强与相位差的对应关系满足以下公式：
其中，IS是干涉光强，I是单束相干光的光强，Δθ是两束相干光的相位差，由此可知，控制0到π的相位差能够从0开始连续控制干涉光强；所述反射式相位型液晶空间光调制器能够实现任意的相位差分布，其中相位差为π的部分光强变为0，其余的相位差非π的部分则构成了预期的几何图形，所形成的几何图形的不同部分依据相位差的不同具有不同的干涉光强，通过该光路，实现了将干涉图案整形成任意的几何形状的同时具有任意的光场强度分布。
3.如权利要求1所述的一种实现将干涉光场整形成任意几何形状的方法，其特征在于：当光源为脉冲激光时，所述反射镜通过一维直线平移台的移动调整位置实现调整光程，使反射的激光脉冲能够同时到达分束器件发生相干。
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