CN109814266A - 一种激光整形光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光整形光学元件及其设计方法，涉及光学技术领域，激光整形光学元件包括透明基底，透明基底的工作面上刻蚀有纳米砖阵列，纳米砖阵列包括多个尺寸相同的纳米砖，纳米砖为半透半反式相位板，各纳米砖的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；其中，x表示纳米砖的中心点的横坐标值，ψ(x)为纳米砖的相位调制量，Φ(x)为纳米砖的转向角，即纳米砖长轴与水平轴的夹角；纳米砖阵列中的具有相同x值的纳米砖的转角相同，且相邻的各纳米砖的中心间隔相同。本发明基于简单的光学结构以及机械结构，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

Description

一种激光整形光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种激光整形光学元件及其设计方法。

背景技术

激光一字线在工业测量中有着重要的应用，其利用可见激光加整形元件投射出的一条细长激光线，具有投射角度大、亮度高、直线度高等突出优点，因此在建筑、纺织、钢铁、机械加工、道路测量、汽车等诸多行业得到重要的应用，现有的激光一字线整形元件一般是基于异型棱镜、二元光学元件等传统折射和衍射元件；

然而受其工作原理的限制，目前的激光一字线的投射角度一般不超过120°，这将极大地限制其更加深入的应用，比如，室内物体的三维建模常常是利用三角测量法原理，需要相机配合一字线结构光同步工作；

由于一字线的结构光的投射角不能覆盖全部的测量空间，因此需要实时移动测量仪器、并需要后续复杂的图像拼接、校准技术才能完成三维建模；而在建筑测量中，同样因为一字激光线不能覆盖全空间而影响作业效率；并且，一字激光线受限于传统光学技术只能在透射和反射空间中二选一，因此无法完成360°全空间的激光投射，即无法形成环形的激光线；

因此，急需一种新的激光整形光学元件，解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光整形光学元件及其设计方法，基于简单的光学结构以及机械结构，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种激光整形光学元件，其包括透明基底，所述透明基底的工作面上刻蚀有纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个尺寸相同的纳米砖，所述纳米砖为半透半反式相位板，各所述纳米砖的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示所述纳米砖的中心点的横坐标值，ψ(x)为所述纳米砖的相位调制量，Φ(x)为所述纳米砖的转向角，即纳米砖长轴与水平轴(x轴)的夹角；

所述纳米砖阵列中的具有相同x值的所述纳米砖的转角相同，且相邻的各所述纳米砖的中心间隔相同；

x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

所述光学元件用于将垂直所述工作面的入射光线整形为与各所述纳米砖垂直的环形光束。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖的透射光与反射光的比例为1:1。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖阵列满足米氏共振原理。

在上述技术方案的基础上，所述透明基底为石英玻璃基底。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖为硅薄膜。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖的长、宽、高尺寸均为亚波长量级。

在上述技术方案的基础上，所述入射光线为可见光。

第二方面，本发明还提供一种激光整形光学元件设计方法，其包括以下步骤：

S1、根据工作波长，考虑应用需求，确定衬底和纳米砖材料；

S2、纳米砖阵列的结构参数优化：

采用电磁仿真法，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以出射圆偏光的透过率和反射率为优化对象，扫描纳米砖的长度、宽度、高度和中心间隔，获得优化的长度、宽度、高度和中心间隔；

S3、结合步骤S2优化的结构参数、G-S算法以及补偿，优化投射光的均匀性；

S4、对各所述纳米砖位相分布优化，实现透反射同步相位调制。

在上述技术方案的基础上，所述纳米砖的长轴尺寸L＝230nm、短轴尺寸W＝124nm、高度H＝277nm和单元大小C＝300nm。

在上述技术方案的基础上，所述工作波长为633nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于简单的光学结构以及机械结构，即可获得环形光束的整形效果，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光整形光学元件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光整形光学元件的工作状态示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光整形光学元件设计方法的步骤流程图；

图4为本发明实施例提供的一种激光整形光学元件设计方法的相位分布图；

图5为本发明实施例提供的一种激光整形光学元件设计方法的强度分布图；

图中：1、透明基底；2、纳米砖阵列；3、纳米砖；4、入射光；5、环形光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种激光整形光学元件及其设计方法，基于简单的光学结构以及机械结构，即可获得环形光束的整形效果，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

为达到上述技术效果，本申请的总体思路如下：

一种激光整形光学元件，其包括透明基底1，透明基底1的工作面上刻蚀有纳米砖阵列2，纳米砖阵列2包括多个尺寸相同的纳米砖3，纳米砖3为半透半反式相位板，各纳米砖3的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示纳米砖3的中心点的横坐标值，ψ(x)为纳米砖3的相位调制量，Φ(x)为纳米砖3的转向角，即纳米砖长轴与水平轴(x轴)的夹角；

纳米砖阵列2中的具有相同x值的纳米砖3的转角相同，且相邻的各纳米砖3的中心间隔相同；

x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

光学元件用于将垂直工作面的入射光线整形为与各纳米砖3垂直的环形光束。

参见图1、2所示，本发明实施例提供一种激光整形光学元件，其包括透明基底1，透明基底1的工作面上刻蚀有纳米砖阵列2，纳米砖阵列2包括多个尺寸相同的纳米砖3，纳米砖3为半透半反式相位板，各纳米砖3的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示纳米砖3的中心点的横坐标值，ψ(x)为纳米砖3的相位调制量，Φ(x)为纳米砖3的转向角，即纳米砖长轴与水平轴(x轴)的夹角；

纳米砖阵列2中的具有相同x值的纳米砖3的转角相同，且相邻的各纳米砖3的中心间隔相同；

x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

光学元件用于将垂直工作面的入射光线整形为与各纳米砖3垂直的环形光束。

本发明实施例中，当任意偏振态的入射光，垂直入射到透明基底1的工作面上，透明基底1的工作面，配合包括多个尺寸相同的纳米砖3的纳米砖阵列2，经过纳米砖3，即半透半反式相位板，入射光被整形成一个与各纳米砖3垂直的环形光束；

本发明实施例中，基于简单的光学结构以及机械结构，即可获得环形光束的整形效果，实现环形投射效果，为光学领域的应用提供实施基础。

需要说明的是，纳米砖阵列2为一维排布，即具有相同x值的纳米砖1转角相同；纳米砖阵列2中各纳米砖3尺寸相同，且相邻纳米砖3的中心间隔相同。

本发明实施例中，纳米砖3的透射光与反射光的比例为1:1。

本发明实施例中，纳米砖阵列2满足米氏共振原理；

需要说明的是，米氏共振包含磁共振和电共振，研究表明，在可见光范围内，高折射率电介质能产生电磁共振，磁共振模式来自于纳米结构内部循环位移电流的激发，从而使纳米砖结构中心处的磁场达到最强，与之相反，当发生电共振时，纳米砖结构中心处的电场达到最强，当电共振频率和磁共振频率相同时，超表面材料有很强的透射特性，当仅仅发生电共振和磁共振时，共振频带内伴随很强的反射特性；

本发明实施例中，基于米氏共振原理实现半透半反，纳米砖阵列2满足米氏共振原理，且共振波长适当偏离设计波长，以满足透射光与反射光的能量比相同；

需要说明的是，本发明实施例中，优选地，纳米砖阵列2具体为电介质纳米砖阵列。

本发明实施例中，透明基底1为石英玻璃基底，纳米砖3为硅薄膜；

之所以选择上述材料，是因为高折射率电介质能产生电磁共振，可以用其高折射率的电介质材料替代，具体的折射率为3以上。

本发明实施例中，纳米砖3的长、宽、高尺寸均为亚波长量级；

亚波长尺寸使得单个纳米砖3只有衍射零级，不存在高级次的衍射光。

本发明实施例中，入射光线为可见光。

其中，说明书附图中，入射光为标号4的图形，环形光束为标号5的图形。

需要说明的是，本发明实施例中涉及超表面材料的相位调制原理和米氏共振原理，

以超表面材料的单元结构为例，超表面材料由透明基底1和纳米砖阵列2构成，纳米砖阵列2上包括多个纳米砖3，如图1所示建立xoy坐标系，纳米砖3的长边为长轴，短边为短轴，设长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角φ；

纳米砖3的功能可等效为半波片，则其琼斯矩阵可表示为：当圆偏光入射时(左旋圆偏光或右旋圆偏光的琼斯矢量为)，经过纳米砖3出射后光矢量可表示为:

由(A)式可知，出射光仍为圆偏光但其旋向相反，同时经历了2φ的相位延迟，由此可知，纳米砖3的转向角φ与入射光相位改变的关系为因此改变纳米砖3的转向角φ的大小就可以调节和控制出射光的相位从而实现相位调制功能，这种相位称为几何相位；

米氏共振则是发生在亚波长电介质结构中的一种物理学现象，它会引起入射光的强烈反射，研究发现，通过小心的调整纳米砖3的结构参数，可以实现透射光和反射光比例任意调节的同时、还能保持超表面的几何相位特性不变；

本发明实施例中，激光整形光学元件是采用几何相位超表面材料，其相位改变量仅与纳米砖3转角有关系，而本发明小心的调制纳米砖3的结构参数，是为了调整透射光和反射光的比例为1:1，从而实现半透半反，除此以外通过调整纳米砖3的结构参数还能实现透射光和反射光能量的任意调控，比如透反比3:1、2:1等。

另外，本发明中采用的超表面材料的单元结构即纳米砖3，为无定型薄膜材料(非晶硅材料)，沉积在熔融石英基底表面即透明基底1上；

纳米砖3的尺寸为亚波长量级，透明基底1采用熔融石英材料；纳米砖3采用非晶硅材料；L为纳米砖长轴尺寸，W为纳米砖短轴尺寸，H为纳米砖高度，C为纳米砖单元大小，φ为纳米砖朝向角。此外，纳米砖阵列中各纳米砖的尺寸和中心间隔均相同。

基于同一发明构思，本申请提供了上述实施例对应的一种激光整形光学元件设计方法的实施例，具体如下：

如图3至5所示，本发明系统实施例提供了一种激光整形光学元件设计方法，其包括以下步骤：

S1、根据工作波长，考虑应用需求，确定透明基底1和纳米砖3的材料；

S2、纳米砖阵列2的结构参数优化：

采用电磁仿真法，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以出射圆偏光的透过率和反射率为优化对象，扫描纳米砖3的长度、宽度、高度和中心间隔，获得优化的长度、宽度、高度和中心间隔；

S3、结合步骤S2优化的结构参数、G-S算法以及补偿，优化投射光的均匀性；

S4、对各纳米砖3位相分布优化，实现透反射同步相位调制。

本发明实施例中，纳米砖3的长轴尺寸L＝230nm、短轴尺寸W＝124nm、高度H＝277nm和单元大小C＝300nm。

本发明实施例中，工作波长为633nm。

本实施例中，采用电磁仿真软件CST Studio建模仿真，采用的入射光工作波长为λ＝633nm，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以出射圆偏光的透过率和反射率为优化对象；

扫描纳米砖3结构参数即长轴尺寸L、短轴尺寸W、高度H和单元大小C来获取较佳的结构参数；

经参数扫描，得到优化结构参数：C＝300nm，L＝230nm，W＝124nm，H＝277nm，扫描后发现，在设计波长633nm处，具有几何相位调节功能的透射光(Tcross)和反射光(Rcross)的比例接近1:1，而没有相位调节功能的无用的零级光(Tco、Rco)压缩至5％以内，证明所设计的超表面具有在透射和反射空间同时调控几何相位的能力；

设计完单元结构之后，就开始设计实现激光线的相位分布，这里采用经典的G-S算法，设计的投射角度为180°(由于超表面单元300nm小于波长633nm，因此衍射光可覆盖整个透射空间)，超表面器件的一维像素设计为2000个，通过灰度补偿和G-S算法的优化保证投射光强的均匀性；

最后设计出的相位分布如图4所示，而仿真得到的180°空间的强度分布如图5所示；

从图5可以看出，所设计的相位可将入射激光拓展至180°、且强度均匀；再利用前面所设计的纳米砖实现透反射同步相位调制，因此最终的器件可实现360°全空间的环形投射激光线。

将上述相位分布转化为纳米砖3的转向角分布，然后在y方向进行扩展，最终得到基于纳米砖阵列的环形激光线。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种激光整形光学元件，其包括透明基底，其特征在于：

所述透明基底的工作面上刻蚀有纳米砖阵列，所述纳米砖阵列包括多个尺寸相同的纳米砖，所述纳米砖为半透半反式相位板，各所述纳米砖的朝向角Φ(x)＝ψ(x)/2；

其中，x表示所述纳米砖的中心点的横坐标值，ψ(x)为所述纳米砖的相位调制量，Φ(x)为所述纳米砖的转向角，即纳米砖长轴与水平轴的夹角；

所述纳米砖阵列中的具有相同x值的所述纳米砖的转角相同，且相邻的各所述纳米砖的中心间隔相同；

x和y方向即工作面坐标系xoy的x轴和y轴方向；

所述光学元件用于将垂直所述工作面的入射光线整形为与各所述纳米砖垂直的环形光束。

2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述纳米砖的透射光与反射光的比例为1:1。

3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述纳米砖阵列满足米氏共振原理。

4.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述透明基底为石英玻璃基底。

5.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述纳米砖为硅薄膜。

6.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述纳米砖的长、宽、高尺寸均为亚波长量级。

7.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：所述入射光线为可见光。

8.如权利要求1所述的光学元件的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、根据工作波长，考虑应用需求，确定透明基底和纳米砖的材料；

S2、纳米砖阵列的结构参数优化：

采用电磁仿真法，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以出射圆偏光的透过率和反射率为优化对象，扫描纳米砖的长度、宽度、高度和中心间隔，获得优化的长度、宽度、高度和中心间隔；

S3、结合步骤S2优化的结构参数、G-S算法以及补偿，优化投射光的均匀性；

S4、对各所述纳米砖位相分布优化，实现透反射同步相位调制。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述纳米砖的长轴尺寸L＝230nm、短轴尺寸W＝124nm、高度H＝277nm和单元大小C＝300nm。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述工作波长为633nm。