CN110262046A - 一种尺寸连续可调空心光束产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尺寸连续可调空心光束产生方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料，以及设置在扩束系统与待辐射材料之间、且中心线与飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料的中心线重合的环聚焦波带片；所述尺寸连续可调空心光束产生方法，包括以下步骤：利用飞秒激光器发射激光束，并经扩束系统扩展成数束激光束；调整环聚焦波带片与待辐射材料的物像距，并在待辐射材料上形成尺寸连续可调的空心光束。通过上述方案，本发明具有方法简便、产生空心光束效率高等优点，在衍射光学技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种尺寸连续可调空心光束产生方法

技术领域

本发明涉及衍射光学技术领域，尤其是一种尺寸连续可调空心光束产生方法。

背景技术

飞秒激光，是一种以脉冲形式运转的激光，其持续时间非常短，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1/1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍；另外，飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，；不仅如此，其能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

在飞秒激光辐射材料表面时，可无缝地在材料表面自组装形成精确光栅周期的纳米结构(精度好于1nm)。其针对缺陷和扰动的鲁棒性程度很高，需要将入射飞秒激光聚焦到数十个波长以内，并且还需要控制扫描速度。目前，现有技术中的飞秒激光诱导表面周期结构均采用小焦斑实心高斯光束，以一种二维扫描的方式进行精确周期纳米结构的组装，其制作速度缓慢，严重影响了大面积周期结构的制作效率。

另外，专利申请号为“201610037807.1”、名称为“一种新型菲涅耳光学天线发射系统”的发明专利，其由一个振幅型菲涅耳波带片和卡塞格伦光学天线构成。本发明所采用的菲涅耳波带片由透光和不透光的波带相间组成，位于天线抛物面主镜的中心圆孔内，对入射平面波进行聚焦，主焦点与旋转双曲面次镜的左焦点重合，在次镜处产生的光斑中心为暗斑，可有效避免光线经天线次镜在反射至主镜的过程中存在较大的中心能量损失。光束先后经次镜和主镜反射后，产生准直空心光束在自由空间传输。该专利中的菲涅尔波带片及其公式是世界范围内早已公开的一项波带片基础知识。该专利所得到的暗中空光束是在其菲涅尔波带片的离焦面上的获得的(图5)，其光强分布有多个峰且有数毫米宽(图8)，无法满足背景技术中将入射飞秒激光聚焦到数十微米(数十个波长)的要求，利用该专利中的暗中空光束辐照材料表面将无法得到高质量的、精确光栅周期的纳米结构。此外，该专利中的暗中空光束无法连续改变中空半径，进而无法在材料表面进行径向扫描，因而也无法提高其制作速率。

因此，需要要提出一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其利用尺寸可调的空心聚焦光束，通过连续改变空心聚焦光束半径进行极坐标径向扫描，即可大幅提升周期结构的制备效率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种尺寸连续可调空心光束产生方法，本发明采用的技术方案如下：

一种尺寸连续可调空心光束产生方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料，以及设置在扩束系统与待辐射材料之间、且中心线与飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料的中心线重合的环聚焦波带片；

所述尺寸连续可调空心光束产生方法，包括以下步骤：

利用飞秒激光器发射激光束，并经扩束系统扩展成数束激光束；

调整环聚焦波带片与待辐射材料的物像距，并在待辐射材料上形成尺寸连续可调的空心光束。

进一步，所述环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带；

数个所述透光环带的半径关系满足：

其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长，n表示光环带数；

所述光环带数n＝0即为最内层的透光环带。

更进一步地，当飞秒激光器为点光源、所述环聚焦波带片的物距为oz、且oz＞f时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为

优选地，所述飞秒激光器为微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线其中之一的电磁波段。

优选地，所述环聚焦波带片为可见光透明基底或对可见光不透明基底。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地设置环聚焦波带片，其同心的透光环带能够对复色光源进行单色化，并形成单一波长的空心聚焦圆环，有效地滤除复色光源以降低干扰。

(2)本发明的环聚焦波带片可根据需求设计产生任意半径的环聚焦空心光束，其灵活性较强。

(3)本发明的环聚焦波带片的设计原理与空间光调制器相结合，无需实际制作元器件，即可产生任意需要半径的环聚焦空心光束。

综上所述，本发明具有结构简单、、制备效率高等优点，在衍射光学技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，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相关的附图。

图1为本发明产生尺寸连续可调空心光束工作原理图。

图2为本发明的环聚焦波带片的设计原理。

图3为本发明的平行光入射下(x,y)平面光强分布示意图。

图4为本发明的点光源不同物距入射情况下(x,y)焦平面处光强分布示意图。

图5为本发明的点光源入射下物距连续变化时相应焦平面处空心光束Y方向强度分布图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1至图5所示，本实施例提供了一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料，以及设置在扩束系统与待辐射材料之间、且中心线与飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料的中心线重合的环聚焦波带片。在本实施例中，飞秒激光器可选用微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。本实施例的环聚焦波带片采用可见光透明基底或对可见光不透明基底；并且在环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带。环聚焦波带片的透光环带以圆心为起始，向外延伸布设；其中，最内层的透光环带为第0个透光环带，其半径为：r₀＝d；第1个透光环带的半径为：

以此类推，第n个透光环带的半径为：

其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长。

另外，当飞秒激光器为点光源、且所述环聚焦波带片的物距为oz(oz>f)时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为

在本实施例中，该环聚焦波带片可选取完整对称结构的一部分或者遮挡中心部分环带只选取边缘的部分环带。

下面简要说明尺寸连续可调空心光束产生方法，包括以下步骤：

(1)利用飞秒激光器发射激光束，并经扩束系统扩展成数束激光束；

(2)调整环聚焦波带片与待辐射材料的物像距，并在待辐射材料上形成尺寸连续可调的空心光束。本实施例的光源发出的激光束经扩束系统后，入射到环聚焦波带片上，通过调节波带片的物像距，在探测面(即待辐射材料)上即可得到尺寸连续可调的空心光束。

图2(a)由一组同心环带构成菲涅耳波带片，其是一种变间距光栅绕波带片中轴线旋转而成图2(b)，其焦点位于中轴线上，且相邻环带到焦点的光程差为λ/2(λ为波带片入射光波长)。图2(c)为图2(b)所示的一维菲涅耳波带片焦平面上的光强分布模拟图，可以很清楚的看到一个单焦点。本实施例将图2(b)中的一维波带片先平移d，再取其一边以其原中轴线(图中虚线)做对称，并得到图2(e)中的新的一维波带片。此一维波带片将与图2(b)所示的原波带片具备同样的焦距，其焦平面上应有两个距离为2d的焦点。本实施例利用基尔霍夫衍射公式对一维结构焦平面上的光强分布进行了数值模拟，模拟结果如图2(f)所示。从图2(f)中可以很明显看到两个焦点，其间距为2d，与理论预期一致。因此，若将图2(f)一维结构其绕轴线旋转，即可得到图2(d)所示的环聚焦的波带片，其可产生内径为2d的空心光束；以此类推，便可获得数个同心的透光环带的环聚焦波带片；本实施例的空心光束是在波带片焦面上获得的，具有聚焦效果，亮斑宽度比较窄，光强分布是一个单峰结构(一边)。其中，空心光束是由波带片衍射聚焦形成的，必须有多个同心的透光环，否则无法形成聚焦的空心光束。

为了验证本实施例的可行性，特进行平行光入射下(x,y)平面光强分布测试、点光源不同物距入射情况下(x,y)焦平面处光强分布测试和点光源入射下物距连续变化时相应焦平面处空心光束Y方向强度分布测试；如图3所示，入射光为平行光，在像距50mm处的焦平面上，波带片将入射的平面波聚焦成了一个空心圆环，圆环半径为600μm，该半径与理论设计至完全相同。而在点光源不同物距入射情况下(x,y)焦平面处光强分布测试中，如图4所示，波带片焦距为50mm，物距oz分别为80mm、100mm、120mm和150mm，在像距分别133.3mm、100mm、85.7mm和75mm的焦平面上，波带片将点光源入射光聚焦成了空心圆环，圆环半径随着物距的增大而变小，其具体尺寸与理论预期一致。与此同时，在点光源入射下，物距连续变化时相应焦平面处空心光束Y方向强度分布，如图5所示，随着物距的不断增大、空心光束半径连续减小。

综上所述，本发明通过连续改变环聚焦波带片物像距，即可实现尺寸连续可调的空心光束，其产生的方式极为简单、产生的效率得到大大的提高；与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在衍射光学技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种尺寸连续可调空心光束产生方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料，其特征在于，还包括设置在扩束系统与待辐射材料之间、且中心线与飞秒激光器、扩束系统和待辐射材料的中心线重合的环聚焦波带片；

所述尺寸连续可调空心光束产生方法，包括以下步骤：

利用飞秒激光器发射激光束，并经扩束系统扩展成数束激光束；

调整环聚焦波带片与待辐射材料的物像距，并在待辐射材料上形成尺寸连续可调的空心光束。

2.根据权利要求1所述的一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其特征在于，所述环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带；

数个所述透光环带的半径关系满足：

其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长，n表示光环带数；

所述光环带数n＝0即为最内层的透光环带。

3.根据权利要求2所述的一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其特征在于，当飞秒激光器为点光源、所述环聚焦波带片的物距为oz、且oz＞f时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为

4.根据权利要求2所述的一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其特征在于，所述飞秒激光器为微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线其中之一的电磁波段。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种尺寸连续可调空心光束产生方法，其特征在于，所述环聚焦波带片为可见光透明基底或对可见光不透明基底。