CN109031682A - 基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法，其中系统包括：共轴设置的衍射轴锥镜和倒置望远镜系统，其中，所述衍射轴锥镜上刻蚀有多个台阶；所述倒置望远镜系统包括：第一聚焦镜和第二聚焦镜；其中，所述第一聚焦镜共轴设置于所述衍射轴锥镜和所述第二聚焦镜之间。本发明结合轴锥镜的成像原理和衍射光学元件的制作方法，以台阶拟合的形式简化轴锥镜的制作方法，后续结合倒置的望远镜这一特定的聚焦光学系统，实现了产生长焦深、微小光斑的目的，且该系统光能利用率高。

Description

基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法
技术领域
本发明涉及衍射光学和几何光学相结合的折衍混合结构技术领域，更具体的说是涉及一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法。
背景技术
焦深是指在特定的光学系统中允许的焦面或者像平面位置的变化范围，在众多光学调焦系统中占有极为重要的位置。近年来，在透明材料的激光切割当中，对聚焦光束的焦深要求越来越高，而且在此基础上，还需要保证聚焦光斑的大小满足加工的要求，即长焦深、小尺寸的聚焦光斑。
1954年，传统的轴锥镜被提出，作为可实现长焦深功能的核心元件，不断受到大家的广泛关注。但是，轴锥镜的加工难度大，且配合聚集镜的情况下，无法同时实现可控长焦深和可控尺寸的微小光斑的要求。
因此，如何提供一种同时实现长焦深微小光斑的产生系统和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法，实现了产生长焦深、微小光斑的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，包括：共轴设置的衍射轴锥镜和倒置望远镜系统，其中，所述衍射轴锥镜上刻蚀有多个台阶；所述倒置望远镜系统包括：第一聚焦镜和第二聚焦镜；其中，所述第一聚焦镜共轴设置于所述衍射轴锥镜和所述第二聚焦镜之间。
优选的，所述衍射轴锥镜的楔角为α，入射激光的波长为λ，所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率为n，则所述入射激光经过所述衍射轴锥镜
之后形成的中心无衍射光斑的大小
优选的，所述衍射轴锥镜的楔角为α，则所述衍射轴锥镜对应的无衍射光斑的距离为
其中，n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率，α为衍射轴锥镜的楔角，D为入射激光的光斑直径。
优选的，所述入射激光经过所述衍射轴锥镜和所述倒置望远镜系统之后，无衍射光斑大小
其中，f1和f2分别为所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜的焦距。
优选的，所述入射激光经过所述倒置望远镜系统之后，焦深为
其中，f1和f2分别为所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜的焦距；n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率，α为衍射轴锥镜的楔角，D为入射激光的光斑直径。
优选的，所述台阶的刻蚀线宽为d，刻蚀深度为h，则h＝λ/2(n-1)，tanα＝h/d；
其中，λ为入射激光的波长，n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率。
一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生方法，包括：
在衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶；
将入射激光入射至刻蚀后的衍射轴锥镜上；
再经过倒置的望远镜系统进行聚焦成像；
其中，所述倒置望远镜系统包括：第一聚焦镜和第二聚焦镜；其中，所述第一聚焦镜共轴设置于所述衍射轴锥镜和所述第二聚焦镜之间。
优选的，在衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶的步骤具体包括：对于楔角为α的轴锥镜，采用衍射光学的多台阶形式对其相位面进行拟合，计算出每次刻蚀的线宽d和刻蚀深度h，保持tanα＝h/d。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和方法，结合轴锥镜的成像原理和衍射光学元件的制作方法，以台阶拟合的形式简化轴锥镜的制作方法，后续结合倒置的望远镜这一特定的聚焦光学系统，实现了产生长焦深、微小光斑的目的，且由于采用二元光学元件的多台阶拟合，台阶数较多，光能利用率高。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统示意图；
图2附图为本发明提供的刻蚀有台阶的轴锥镜的结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例公开了一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，包括：共轴设置的衍射轴锥镜1和倒置望远镜系统2，其中，衍射轴锥镜1上刻蚀有多个台阶3；倒置望远镜系统2包括：第一聚焦镜21和第二聚焦镜22；其中，第一聚焦镜21共轴设置于衍射轴锥镜1和第二聚焦镜22之间。
本发明提供的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统产生的光斑更小，达到10微米以下，更加适合激光微加工行业。而现有技术中所产生的光斑很难达到激光微加工的要求。该系统在激光微加工中，特别是激光切割方面有着重要的应用。
入射激光依次经过衍射轴锥镜、第一聚焦镜和第二聚焦镜，具体结构请参见图1，其中轴锥镜的楔角为α，倒置的望远镜系统的两个聚焦镜的焦距分别为f1和f2。
下面结合具体步骤来进一步说明本发明提供的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统和产生方法。
第一步：对于底角为α的轴锥镜，采用衍射光学(二元光学)的多台阶形式对其相位面进行拟合，计算出每次刻蚀的线宽d和刻蚀深度h，保持tanα＝h/d，元件制造的示意图请参见图2。
第二步：将波长为λ的入射激光源，光斑直径为D，入射到楔角为α的轴锥镜之后，出射的光束为贝塞尔光束，其中心无衍射光斑大小为：
n为波长为λ情况下衍射轴锥镜材料的折射率，轴锥镜对应的无衍射距离为：
第三步：倒置的望远镜系统放置在衍射轴锥镜的无衍射距离之内，则光束通过倒置望远镜系统之后，光斑大小为：
望远镜的轴向放大率为：
则光束的焦深为：
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，包括：共轴设置的衍射轴锥镜和倒置望远镜系统，其中，所述衍射轴锥镜上刻蚀有多个台阶；所述倒置望远镜系统包括：第一聚焦镜和第二聚焦镜；其中，所述第一聚焦镜共轴设置于所述衍射轴锥镜和所述第二聚焦镜之间。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，所述衍射轴锥镜的楔角为α，入射激光的波长为λ，所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率为n，则所述入射激光经过所述衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射光斑的大小
3.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，所述衍射轴锥镜的楔角为α，则所述衍射轴锥镜对应的无衍射光斑的距离为
其中，n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率，α为衍射轴锥镜的楔角，D为入射激光的光斑直径。
4.根据权利要求3所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，所述入射激光经过所述衍射轴锥镜和所述倒置望远镜系统之后，无衍射光斑大小
其中，f1和f2分别为所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜的焦距。
5.根据权利要求4所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，所述入射激光经过所述倒置望远镜系统之后，焦深为
其中，f1和f2分别为所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜的焦距；n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率，α为衍射轴锥镜的楔角，D为入射激光的光斑直径。
6.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生系统，其特征在于，所述台阶的刻蚀线宽为d，刻蚀深度为h，则h＝λ/2(n-1)，tanα＝h/d；
其中，λ为入射激光的波长，n为所述衍射轴锥镜在波长为λ下的折射率。
7.一种基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生方法，其特征在于，包括：
在衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶；
将入射激光入射至刻蚀后的衍射轴锥镜上；
再经过倒置的望远镜系统进行聚焦成像；
其中，所述倒置望远镜系统包括：第一聚焦镜和第二聚焦镜；其中，所述第一聚焦镜共轴设置于所述衍射轴锥镜和所述第二聚焦镜之间。
8.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的长焦深、微小光斑的产生方法，其特征在于，在衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶的步骤具体包括：对于楔角为α的轴锥镜，采用衍射光学的多台阶形式对其相位面进行拟合，计算出每次刻蚀的线宽d和刻蚀深度h，保持tanα＝h/d。
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