CN1104338A - 多波长共焦衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多波长共焦衍射光学元件，适用于 多波长的光束共焦，特别适用不可见光的精密对焦或 者光路的精密调整。本发明作为透镜或者反射镜的 光学元件，含有多个宽度相等，半径不等，厚度也不相 等的同心环带平面。本发明的光学元件主要是解决 了巨大色差的矫正问题，还具有体积小，成本低，容易 大量生产的优点。是一种理想的消色差光学元件。

Description

本发明多波长共焦衍射光学元件，是一种新型的衍射光学或二元光学元件，适用于多波长的光学共焦特别适用于非可见光束（如激光波长为1.06μm，10.6μm，157nm的红外或紫外光束）的精密对焦或者光路的精密调整。

目前传统的光学透镜组合也称为经典光学元件组合，虽然通过选取不同阿贝系数的光学材料可以消除一定的色差，但是元件组合复杂，体积大，调整精度要求高，特别是根本无法解决巨大色差的矫正，对波长相差△λ极大的激光线，例如Nd：YAG激光（1.06μm）和He-Ne激光（0.6328μm），其△λ≈0.4272μm，又如CO₂激光（10.6μm）和He-Ne激光（0.6328μm）其△λ≈9.9672μm，一般的经典光学消色差透镜设计根本不可能解决上述这样大波长差△λ的色差矫正。

发明人王润文、叶超曾设计一种纯位相条形衍射光学元件，发表于93年世界光学大会（WOC′93），这种元件仍没有提出和解决光学巨大色差的矫正难题。

专利文献WO93/20464  G02B  5/18介绍了为了减少由于测试引起变形而设计的一种透镜结构，这种透镜结构为带板棱镜结构，它只解决热变形问题，而并不能解决光学消色差问题。

专利文献SU1620-973  G02B  27/44介绍了一种把多色光（可见光范围）会聚在一个特定形状的区域范围内的元件，并不能成点像，更没涉及到消色差，这种元件是一种成熟的位相带板结构，所以此专利也没解决消色差难题。

专利文献EP0，367，241  G02B  5/18介绍了一种衍射光学成像透镜系统，这是改进光学成像的一种系统，其结构也是带板结构。虽然可解决可见光区域的消象差，但很有限（一般情况象差范围小于0.3μm），只是传统光学设计消象差功能用该结构替代而已。因此该专利也没有解决巨大色差的矫正难题。

上述三项专利无论从内容、透镜的结构与设计目的都与本发明完全不一样。上述专利的透镜结构都是带板结构，设计目的只是解决可见光范围的问题，而且不涉及消色差问题。

本发明的目的在于解决目前无法解决的波长差极大的光线间的消色差问题，实现几种非可见光激光束（例如1.06μm或10.6μm红外、远红外激光或如157nm的真空紫外激光）能够共焦，其应用于系统中光路的精密调整与精密对焦，例如在YAG激光（波长1.06μm）加工过程或医用设备中的对焦与光路调整，利用本发明将可以以可见光（如0.6328μm）无误差地同轴对焦与调整，以致达到非可见光在实际运行中进行对焦以利随时监测与调整。

本发明的衍射光学元件是同心等宽度环带平面纯位相的结构。该元件分成多个单元，对a种波长λ_a，应分成aN个单元，其中a≥2的正整数，N≥1的任意正整数，当a＝2时，为双波长共焦，元件应分为2N个单元，当a＝3时，元件应为3N个单元等等。每个单元为等宽度d，但半径不相等的环带，如果透镜直径设为φ，则宽度d＝φ/（2aN）。当照明光为一平面光波并垂直入射于元件表面，光波透过各个单元环带后对象平面上同一点的振幅贡献各不相同。我们则把这aN个单元环带再分成a组，分别对a种不同波长λ_a利用等光程原理引入不同的位相补偿，相应于厚度taN的补偿，例如a＝2时，即双波长共焦，分成N个单元对λ₁进行位相补偿，另外N个单元则对λ₂补偿位相。这两种不同波长的平行光束通过厚度taN补偿后的衍射光学元件后，则能在同一象平面的同一（焦）点获得理想的聚焦光斑。

在位相补偿前，各个环带对象平面上任一点的光程不同，进行位相补偿的目的，在于使光束通过各个环带后到达焦点的位相差为波长的整数倍，各个环带的补偿光程就可决定了相应的补偿厚度。补偿光程δ由下式决定：

对波长λ₁，第i个环带的补偿位相为：

$S_{1i}=[\sqrt{L_0^2+{(\frac{\mathrm{\Φ}}{2}-\frac{d}{2})}^2}-\sqrt{L_0^2+r_{1i}^2}-k{\mathrm{\λ}}_1]/(n_1-1)$

对波长λ₂，第j个环带的补偿位相为：

$S_{2j}=[\sqrt{L_0^2+{(\frac{\mathrm{\Φ}}{2}-\frac{3d}{2})}^2}-\sqrt{L_0^2+r_{2j}^2}-k{\mathrm{\λ}}_1-k{\mathrm{\λ}}_2]/(n_2-1)---\left(2\right)$

对波长λ_a，第N个环带的补偿位相为：

$S_{\mathrm{aN}}=[\sqrt{L_0^2+{(\frac{\mathrm{\Φ}}{2}-\frac{(2a-1)d}{2})}^2}-\sqrt{L_0^2+r_{\mathrm{aN}}^2}-k{\mathrm{\λ}}_a]/(n_a-1)---\left(3\right)$

其中δ_1i、δ_2j、δ_aN分别为对波长λ₁、λ₂、λ_a补偿的环带组中第i个、第j个或第N个环带的补偿光程，L₀为设定的光学元件的焦距，r_1i、r_2j、r_aN分别为λ₁补偿的第i个环带、λ₂补偿的第j个环带和λ_a补偿的第N个环带中心处的半径。k为整数，n₁、n₂、n_a分别为光学材料对波长λ₁、λ₂和λ_a的折射率。

至于环带单元数目aN，其中N的大小可根据需要而确定，当然，单元数N越多，光会聚作用应该越好，但加工难度会增加，所以，在满足光会聚作用的前提下的最小单元环带数N为最佳选择参数。

本发明所说的光学元件是透镜或者是反射镜。

射入该发明元件各个环带的光波在象平面的衍射积分迭加，可核对或验证象平面的光强分布是否理想。光束通过整个元件后在焦点P的总振动应为：

（P）＝

（4）

所以焦点P的光强度分布则为：

I（P）＝｜

（P）｜²（5）

式（4）和（5）即为象平面上光强分布的基本式。

利用本发明，可以设计出任意两种激光波长的消色差衍射光学元件;也可以推广于设计a＝3，即三波长共焦或a＞3的正整数即为多波长共焦的二元光学元件。

与已有技术的光学元件相比较，本发明有如下优点：

1.本发明是一种理想的消色差光学元件，能消除任意几种波长相差极大的激光束的色差，而已有技术中所提供的光学元件根本不能解决巨大色差的矫正;

2.本发明元件尺寸小、体积小、成本低，厚度可小于1mm，象纸张那样薄，而经典光学元件尺寸大，体积大而且成本高;

3.聚集亮斑分辨率高，亮斑半径小，可以做到半径小于0.5μm，而经典光学透镜理想Airy盘半径大，在同等条件下，经典的光学透镜既使在理想的情况下，亮斑半径至少比本发明的光学元件的半径大8倍。

4.本发明元件容易大量生产，而已有技术的光学元件加工周期长，不容易大量生产。

附图说明

图1为本发明波长λ_a，a＝2时，共焦衍射光学元件的结构示意图。φ为元件的直径，d为环带宽度，i、j分别为第i、第j个环带。

图2、3，对于透射光λ₁＝1.06μm和λ₂＝0.6328μm的两种波长的光束照明本发明的透镜后在象面上的光强分布。X轴表示象面上的位置即离中心轴的半径r，Y轴表示象面上的光强度I。图2透射光波长为1.06μm，图3透射光波长为0.6328μm。

图4透射光波长为1.06μm光束离焦面上的光强分布，X轴表示象平面上的位置。

曲线1    离焦值    △d＝10（焦平面）

曲线2    离焦值    △d＝0.17mm

曲线3    离焦值    △d＝0.20mm

图5透射光波长为0.6328μm光束离焦面上的光强分布。

曲线1    离焦值    △d＝0

曲线2    离焦值    △d＝0.13mm

曲线3    离焦值    △d＝0.17mm

实施例：

以透射光波长λ_a，a＝2，λ₁＝1.06μm，λ₂＝0.6328μm为例，我们设计的一块双波长共焦的等宽环带平面纯位相衍射光学透镜，直径φ为16mm，分割成16个等宽同心环带，宽度d为0.5mm，把这些环带再分成两组，对λ₁与λ₂环带相交的进行位相补偿，采用K₉光学玻璃，透镜焦距L₀为100mm，其构成示意图1。

对于环带厚度taN的补偿，即相应于位相补偿，对于波长λ₁＝1.06μm，N＝5环带的厚度补偿，根据上述公式，可算出t_1.5＝486.6μm，对于波长λ₂＝0.6328μm，N＝6环带的厚度补偿为t_2.6＝508.7μm。

当上述两种波长的平行光束通过本发明透镜后可以在同一焦平面的同一位置获得理想的聚焦光斑，对1.06μm和0.6328μm两种波长在同焦平面上的光强分布分别示于图2和图3。可以看到，这两种不同波长的光束都会聚于象平面的同一点R＝0，中心光斑半径都小于0.5μm（而按经典光学圆盘的理论，Airy斑半径约为4.75μm），边缘光噪音小于10%。

为了确定焦面是这两种波长的最佳焦面，图4和图5分别为1.06μm和0.6328μm两种波长的光束在不同离焦值△d时的离焦面上的光强分布。可看到，对1.06μm的光束，当成象屏从焦平面向前移动时，光会聚作用越来越差，中央亮斑越来越大，边缘部分的噪音光晕也越来越强，而且光斑中心逐渐偏离光轴。当离开焦平面0.17mm时中央光斑已离轴约0.3μm，边缘光晕强度已达中央处光强的80%，聚光作用明显消失，这充分表明，设定100mm焦距的焦平面是1.06μm和0.6328μm这两种波长光束的共同焦平面。

Claims (3)

1、一种多波长共焦衍射光学元件，其特征是用于波长λ_a的纯位相结构的光学元件含有aN个宽度d相等，半径r不等，厚度t_aN不相等的有共同中心O的环带平面。

2、依据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射光学元件，其特征在于波长λ_a，其中，a≥2的正整数，aN个环带，其中N≥1的正整数。

3、依据权利要求1所述的一种多波长共焦衍射光学元件，其特征在于所说的光学元件是透镜，或者是反射镜。

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