CN109814257B - 一种中心零级光强可控的激光分束器件及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中心零级光强可控的激光分束器件及其设计方法，属于光学元件设计领域。针对现有的达曼光栅激光分束器中心零级光强不易控制的问题，提出了一种新的激光分束器件。该器件为两台阶纯相位光栅结构，相邻位相突变点之间的位相差为
其中
通过优化算法优化光栅周期内各相位突变点的坐标以及相位差
来实现等光强的激光分束。本发明设计的衍射器件，当刻蚀深度略小于理论台阶深度时，中心零级光会出现增强的情况，而当刻蚀深度略大于理论台阶深度时，中心零级光会出现减弱的情况。因此能够方便的去调整刻蚀参数最终实现等光强激光分束，在激光雷达、三维测量、医疗美容等领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件设计领域，具体涉及一种中心零级光强可控的激光分束器件及其设计方法，该器件为能将入射的单波长激光分成多束等光强激光的衍射光学元件。
背景技术
将单束激光转变为多束等光强的激光，在激光雷达、医学美容、光纤通信、光学信息处理等众多领域中，有着广泛的需求。1971年达曼提出了一种空间坐标调制型二值相位光栅，又称达曼光栅。由于这类器件为傅里叶变换型分束器，具有光斑阵列光强均匀性不受入射光强分布影响以及可以产生任意排布点阵的优点，被认为是目前最有效的分束器。
达曼光栅为两台阶结构，相邻位相突变点之间的位相差为π。当器件的刻蚀深度大于或者小于理论台阶高度时，都会造成较强的中心零级光，导致出射光束光强分布十分不均匀。当相邻两个台阶的横向间隔较大时，可以通过台阶仪等测量设备来测量台阶深度从而去调整刻蚀参数实现深度的准确控制。但是在当前的很多激光应用中，需要大角度的激光分束器，使得光栅周期内相邻两个台阶的横向间隔为数百纳米量级，从而台阶仪等仪器不能直接测量台阶深度，以致于当发现零级衍射光较强时，不能判断刻蚀深度与理论台阶深度相比是深了还是浅了，只能盲目地不断调整刻蚀参数去试，耗时耗力，严重限制了达曼光栅在大角度激光分束中的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有的达曼光栅分束器中心零级光强不易控制的不足。
本发明提出的技术方案为：一种中心零级光强可控的激光分束器件。该器件是一维周期性光栅结构，在每一个周期内，存在着K个相位突变点，对应的归一化坐标为x1,x2,x3…xK。相邻相位突变点之间的位相差为
其中
用于实现中心零级光强可控的激光分束器件按以下步骤实现：
(1)根据入射激光波长λ和光栅衍射级次m与零级的夹角θ确定光栅周期d＝mλ/sin(θ)。
(2)根据所需的激光分束数N，确定光栅周期内的相位突变点个数K＝2int[(N-1)/4]+2,其中int[]表示取中括号内的整数部分。
(3)采用模拟退火算法来优化光栅单周期内的突变点坐标和位相差
以实现等光强激光分束。各衍射级次的光强与突变点坐标和位相差的关系为：
零级光强为：
级次m对应的光强为：
其中，该衍射器件对应的理论台阶高度为：
N1为材料在波长λ下的折射率。材料可以是塑料、石英、红外材料等。
本发明的有益效果在于：单色激光垂直照射在本发明中心零级光强可控的激光分束器件，当器件刻蚀深度略小于理论台阶深度时，出射的中心零级光会出现增强的情况，而当刻蚀深度略大于理论台阶深度时，中心零级光会出现减弱的情况。从而可以直接根据零级强弱判断器件刻蚀深度与理论台阶的偏差，有方向性地调整刻蚀参数实现等光强激光分束。
附图说明
图1为本发明中心零级光强可控的激光分束器的基本结构示意图；
图2为实施例中设计得到的激光分束器结构示意图；
图3为实施例中刻蚀深度等于理论台阶高度时的分束效果图；
图4为实施例中刻蚀深度小于理论台阶高度时的分束效果图；
图5为实施例中刻蚀深度大于理论台阶高度时的分束效果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例：
图1为本发明中心零级光强可控的激光分束器的基本结构示意图。以设计实现650纳米激光波长下的总夹角为20°的1×5分束器为例来详细阐述设计过程：
(1)根据入射激光波长λ和光栅衍射级次m与零级的夹角θ确定光栅周期d＝7.486um。
(2)根据所需的激光分束数5，确定光栅周期内的相位突变点个数为K＝4。
(3)采用模拟退火算法来优化光栅单周期内的突变点坐标x1,x2,x3,x4和位相差
以实现等光强激光分束。最终优化得到的归一化突变点坐标值为：x1＝0,x2＝0.3,x3＝0.63,x4＝0.93，位相差
为0.78π。根据光栅周期d最终得到各个台阶的相对位置和横向宽度，最终得到的单周期结构如图2所示。可以看出该衍射器件的横向最细线宽达到了524nm。选择石英作为材料，则理论的台阶高度为h＝0.78×λ/2/(n1-1)＝555nm。
当650nm单色波长垂直入射在该器件上后，最终出射的各衍射级次的归一化强度如图3所示。计算得到的-2、-1、0、+1、+2级次的归一化强度分别为：1、0.97、0.98、0.97、1。
在器件加工制作过程中，很难一次性做到刻蚀深度与理论台阶高度一致。图4给出了刻蚀深度为0.7π时对应的激光分束效果图。计算得到的-2、-1、0、+1、+2级次的归一化强度分别为：0.57、0.56、1、0.56、0.57。图5给出了刻蚀深度为0.86π时对应的激光分束效果图。计算得到的-2、-1、0、+1、+2级次的归一化强度分别为：1、0.97、0.52、0.97、1。可见，当刻蚀深度小于理论深度时，会出现零级增强的情况。而当刻蚀深度大于理论深度时，会出现零级减弱的情况。从而在实际加工过程中无需借助复杂的测量设备对深度进行测量，可直接通过观察零级的强弱变化来判断刻蚀深度与理论深度的偏差，使得加工难度大大减小。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明的一种实施例，并非用以限定本发明的实施范围。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 (3)
1.一种中心零级光强可控的激光分束器件的设计方法，其特征在于：该器件是一维周期性光栅结构，在每一个周期内，存在着K个相位突变点，对应的归一化坐标为x1,x2,x3…xK，相邻相位突变点之间的位相差为
其中
该设计方法通过以下步骤实现：
步骤(1)、根据入射激光波长λ和光栅衍射级次m与零级的夹角θ确定光栅周期d＝mλ/sin(θ)；
步骤(2)、根据所需的激光分束数N，确定光栅周期内的相位突变点个数K＝2int[(N-1)/4]+2,其中int[]表示取中括号内的整数部分；
步骤(3)、采用模拟退火算法来优化光栅单周期内的突变点坐标和位相差
以实现等光强激光分束，各衍射级次的光强与突变点坐标和位相差的关系为：
零级光强为：
级次m对应的光强为：
当器件刻蚀深度略小于理论台阶深度时，中心零级光会出现增强的情况，而当刻蚀深度略大于理论台阶深度时，中心零级光会出现减弱的情况。
2.根据权利要求1所述的一种中心零级光强可控的激光分束器件的设计方法，其特征在于：器件对应的理论台阶高度为：
其中，n1为材料在波长λ下的折射率，材料可以是塑料、石英或红外材料。
3.一种中心零级光强可控的激光分束器件，其特征在于：该器件由权利要求1-2任一项所述的设计方法设计得到。
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