CN111522144A - 激光分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光分束器，包括若干阵列排布的头冠形结构，所述头冠形结构包括连续的样条曲面以及以所述样条曲面的质心对称设置的两个陡直的峭壁。本发明克服了传统二元台阶型衍射光学器件仅能利用第一级衍射，导致衍射角度受特征尺寸的限制，采用微小的三维头冠面型结构阵列，利用其产生的多个衍射级次组成激光分束图案，不仅衍射器件的角度大，而且大幅降低了结构面型的特征尺寸，另一方面头冠面型的三维分布使激光分束能量均匀性好，并且中央零级能量对结构的深度误差不敏感，相对于传统二元衍射器件，其结构加工容差更大。

Description

激光分束器
技术领域
本发明涉及光学器件领域，特别涉及一种激光分束器。
背景技术
激光分束光学器件在激光快速加工、结构光三维测量、激光雷达、光通讯以及舞台显示等领域拥有广泛的应用。目前的激光分束器主要为二元台阶型衍射光学元件，通过在光学平面上刻划不同离散台阶数的二维光栅，使离散的不同深度的二维光栅产生不同的相位调制，从而在远场产生衍射图案。然而，这种台阶型的衍射器件因现有设计方法制约，几乎只能利用第一级衍射，而衍射图案的发散角由衍射结构的特征尺寸决定，因此若要采用台阶型衍射器件获得大角度衍射图案，就需要极小的特征尺寸，这不仅需要苛刻的器件加工条件，而且其中央零级衍射光强度对台阶加工深度和入射光波长的误差非常敏感，细微的深度误差或者波长偏移都会引入很强的中央零级衍射，导致器件应用受到很大限制。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种激光分束器，能够在远场产生多级的大角度衍射，形成均匀性好的激光分束结果。
根据本发明的一种激光分束器，包括若干阵列排布的头冠形结构，所述头冠形结构包括连续的样条曲面以及以所述样条曲面的质心对称设置的两个陡直的峭壁。
根据本发明实施例的一种激光分束器，至少具有如下有益效果：本发明克服了传统二元台阶型衍射光学器件仅能利用第一级衍射，导致衍射角度受特征尺寸的限制，采用微小的三维头冠面型结构阵列，利用其产生的多个衍射级次组成激光分束图案，不仅衍射器件的角度大，而且大幅降低了结构面型的特征尺寸，另一方面头冠面型的三维分布使激光分束能量均匀性好，并且中央零级能量对结构的深度误差不敏感，相对于传统二元衍射器件，其结构加工容差更大。
根据本发明的一些实施例，所述头冠形结构为轴对称结构。
根据本发明的一些实施例，所述头冠形结构在水平和垂直方向均满足轴对称分布。
根据本发明的一些实施例，所述头冠形结构为凸型头冠形结构或凹型头冠形结构。
根据本发明的一些实施例，所述头冠形结构的构成材料为光学塑料或光学玻璃。
根据本发明的一些实施例，所述头冠形结构的水平方向长度为4-15微米，垂直方向长度为5-20微米，高度为3-18微米。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的为凸型头冠形结构的三维结构图；
图2为本发明实施例的凸型头冠形结构组成的阵列结构图；
图3为本发明实施例的凹型头冠形结构的三维结构图；
图4为本发明实施例的凹型头冠形结构组成的阵列结构图；
图5为本发明实施例的激光分束器在距离200mm处的光分布图；
图6为本发明实施例的激光分束器高度误差为+2％时的光分布图；
图7为本发明实施例的激光分束器高度误差为-2％时的光分布图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参见图1至图4，本发明实施例的一种激光分束器，激光分束器的光学表面包括若干阵列排布的头冠形结构100，所述头冠形结构100包括连续的样条曲面110以及以所述样条曲面110的质心对称设置的两个陡直的峭壁110，头冠形结构100能够产生多个衍射级次，不同衍射级次间的能量差异小，由此组成了大角度的激光衍射分束图案，大角度激光分束无能量远大于其他级次光斑的中央零级光斑，不仅衍射器件的角度大，而且大幅降低了结构面型的特征尺寸，另一方面样条曲面110以及峭壁110的结构相比单个曲面能够使激光分束能量均匀性好，精度高，并且中央零级能量对结构的深度误差不敏感，相对于传统二元衍射器件，其结构加工容差更大，降低加工难度。
在本发明的一些实施例中，所述头冠形结构100为轴对称结构，具体的所述头冠形结构100在水平和垂直方向均满足轴对称分布。使激光衍射分束图案也是对称形状。所述头冠形结构100可以为凸型头冠形结构或凹型头冠形结构，凸型头冠形结构或凹型头冠形结构性相当于相互镜像的两个结构，方向不同，形状相同。进一步，所述头冠形结构100的构成材料为光学塑料或光学玻璃。
在本发明的一些实施例中，所述头冠形结构100的水平方向长度为4-15微米，垂直方向长度为5-20微米，高度为3-18微米。水平方向和垂直方向是均在一个水平面内相互垂直的两个方向。头冠形结构100的尺寸不需要像传统台阶型衍射器件一样需要极小的特征尺寸就可以获得大角度衍射图案，加工难度低。
下面结合附图详细介绍具体实施方式。
实施例1：
一种激光分束器，实现如下：
(1)器件材料为折射率1.51的光学塑料，具体的为光学紫外固化聚合物；
(2)激光分束器表面的单元结构的三维面形为图1所示的凸型头冠形结构，由两个陡直的峭壁110和连续的样条曲面110构成，凸型头冠形结构在水平和垂直方向均满足轴对称分布。
(3)由图1凸型头冠形结构组成的阵列如图2所示，阵列结构在水平方向的周期为5.7微米，在垂直方向的周期为8.7微米，结构的高度为4.1微米；
(4)在波长为940nm的准直激光入射下，经过多级衍射，在距离200mm的平面上产生的激光分束效果如图5所示，共分成了7×11束激光，每一个级次的能量分布受单元头冠形结构100的控制，各级次光强相当；
(5)当激光分束器的结构深度增加2％时，在距离200mm处产生的激光分束效果如图6所示，与图5对比可见中央零级能量未增加，说明该结构对正向加工误差有较好的容差；
(6)当激光分束器的结构深度减小2％时，在距离200mm处产生的激光分束效果如图7所示，与图5对比可见中央零级能量未增加，说明该结构对负向加工误差有较好的容差。
实施例2：
一种激光分束器，实现如下：
(1)器件材料为折射率1.45的石英玻璃；
(2)激光分束器单元结构的三维面形为图3所示的凹型头冠形结构，由两个陡直的峭壁110和连续的样条曲面110构成，凹型头冠形结构在水平和垂直方向均满足轴对称分布。
(3)由图3凹型头冠形结构组成的阵列如图4所示，阵列结构在水平方向的周期为6.1微米，在垂直方向的周期为9.1微米，结构的高度为4.64微米；
(4)在波长为940nm的准直激光入射下，经过多级衍射，共分成了7×11束激光，每一个级次的能量分布受单元凹型头冠形结构的控制，各级次光强相当；
(5)当激光分束器的结构深度增加2％时，中央零级能量未增加，说明该结构对正向加工误差有较好的容差；
(6)当激光分束器的结构深度减小2％时，中央零级能量未增加，说明该结构对负向加工误差有较好的容差。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (6)

1.一种激光分束器，其特征在于：包括若干阵列排布的头冠形结构(100)，所述头冠形结构(100)包括连续的样条曲面(110)以及以所述样条曲面(110)的质心对称设置的两个陡直的峭壁(120)。
2.根据权利要求1所述的一种激光分束器，其特征在于：所述头冠形结构(100)为轴对称结构。
3.根据权利要求2所述的一种激光分束器，其特征在于：所述头冠形结构(100)在水平和垂直方向均满足轴对称分布。
4.根据权利要求1所述的一种激光分束器，其特征在于：所述头冠形结构(100)为凸型头冠形结构或凹型头冠形结构。
5.根据权利要求1所述的一种激光分束器，其特征在于：所述头冠形结构(100)的构成材料为光学塑料或光学玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种激光分束器，其特征在于：所述头冠形结构(100)的水平方向长度为4-15微米，垂直方向长度为5-20微米，高度为3-18微米。
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