CN112596251A

CN112596251A - 一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN112596251A
Application number: CN202011525194.9A
Authority: CN
Inventors: 孙洪波; 曹嘉冀; 田振男; 陈岐岱
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-04-02

Abstract

本发明公开了一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用，属于激光束整形技术领域，包括柔性可调节薄膜及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅或菲涅尔波带片；柔性可调节薄膜为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；衍射光栅位于柔性可调节薄膜内部，菲涅尔波带片位于柔性可调节薄膜的表面，均起到衍射光线作用，本发明采用“飞秒激光直写”技术在柔性可调节薄膜内部制备光栅/菲涅尔波带片结构；通过机械拉伸方式，可以快速驱动光栅、菲涅尔波带片的周期结构变化，从而得到可以灵活实现对激光光束整形的柔性可调节衍射光学元件。制备的光学元件具有结构稳定，不易受外界环境影响、可自由调控衍射元件光学性能等优点。

Description

一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种可连续对激光进行整形的柔性衍射光学元件，属于激光束整形技术领域，具体涉及柔性可调节衍射光学元件、制备方法及应用，适用于微型光谱仪、扫描仪、光通信及半导体激光器等激光应用领域。

背景技术

早在1665年，弗朗西斯科·格里马第(Francesco Grimaldi)就发现并定义了光的衍射效应。17世纪时，苏格兰科学家詹姆斯·格雷戈里(James Gregory) 通过在羽毛间观察阳光的衍射现象，首次发现了光栅的衍射原理。瑞利勋爵(Lord Rayleigh)在1871年首次使用了振幅型菲涅尔波带片，标志着人类开始有目的地利用光的波动理论设计元件并调整光场的分布。衍射光学元件具有体积小、质量轻、造价低、可设计自由度多、可选择材料种类广泛等一系列优点，并能够实现传统光学器件所难以达到的小型化、阵列化、集成化及任意波面变换等功能。激光是20世纪以来人类又一伟大发明，被广泛应用在工业加工、生物医疗、科学研究、信息技术和国防军事等领域。激光腔发射的光束截面通常呈高斯分布并且以双曲线方式传播，这极大地限制了激光的应用。在激光印刷、激光投影、全息术等实际应用中往往需要激光光强均匀分布的光束。因此，对激光束进行整形具有重要的研究价值。衍射光学元件能够改变输入光束的相位，得到所需要的光强分布，并且具有较高的能量利用率。利用衍射光学元件对激光光束进行整形是一种理想的方式，并在许多方面具有广泛的应用前景，如激光束均匀化、像差校正、激光分束等。

科学家们也对使用衍射光学元件对激光光束进行整形展开了大量的研究。吉林大学的姜瞳等人利用飞秒激光直写聚合物的加工方式制备了多阶非对称整形波带片结构。用于对边发射式半导体激光器的出射光束进行整形，从而提高光束质量。这种加工方式具有真三维、可设计、易于集成等的优点，能够灵活设计具有不同性能的衍射光学元件。该团队所采用的这种结构，具有良好的稳定性。与边发射式半导体激光器集成后，在后期的使用过程中无需校准和维护，尤其适用于小型独立的光学系统。仅需要针对不同边发射式半导体激光器出射光束的发散角单独设计校正元件即可。2017年中国科学院的Zhi-TaoZhou等人利用压印转写辅助光刻的方式制备了基于功能化丝素蛋白薄膜的衍射元件，实现了对入射激光的分束。由于采用的原料是一种天然的生物高聚物，所制备的衍射传感元件有望应用在生物体内药物释放的监测中。但这种材料对水和气体具有渗透性，易于吸收空气中的水分。受水汽的影响，其表面的结构会发生膨胀/收缩，降低光学元件在大气环境中进行长时间测量工作的稳定性。2019年北京理工大学的Ji Huang等人利用湿法刻蚀辅助激光直写的加工方式在半导体材料表面制备了具有明显分光特性的衍射光栅。在刻蚀溶液中，激光改性后的区域的刻蚀速率大于未改性区域。该团队通过精确地控制光栅垂直浸入刻蚀溶液的速率，改变器件上不同区域光栅的刻蚀时间。通过这种方式，灵活地将具有不同光栅周期的衍射结构集成在同一光学元件上。在不改变入射光衍射角度的情况下，实现了反射式衍射光栅衍射效率的调节。但是由于光栅的周期呈近似线性的分布，这可能会在一定程度上影响单色光在特定角度下衍射效率的精确测量。

目前常用于激光束整形的衍射元件多制备在无法折叠，不可拉伸的刚性材料表面，无法满足智能化光学系统在微型化、可控化、集成化方面的需求。如何高效率、大面积、均匀地实现可调节衍射光学元件的制备成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种柔性可调节的衍射光学元件。采用“飞秒激光直写”技术在柔性可调节薄膜内部制备光栅/菲涅尔波带片结构；通过机械拉伸的方式，可以快速驱动光栅、菲涅尔波带片的周期结构变化，从而得到可以灵活实现对激光光束整形的柔性可调节衍射光学元件。

本发明通过如下技术方案实现：

一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，包括柔性可调节薄膜1 及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅2或菲涅尔波带片3；

所述的柔性可调节薄膜1为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；

所述的衍射光栅2位于柔性可调节薄膜1内部，起到衍射光线，改变入射激光束传播方向的作用；

所述的菲涅尔波带片3位于柔性可调节薄膜的表面，起到衍射光线，改变入射激光束聚焦光斑形貌的作用。

进一步地，所述的柔性可调节薄膜1为固化的PDMS薄膜，厚度为700-800μm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的衍射光栅2由激光改性线组成，其周期为3-10μm、长度为1-3mm，宽度为1-3mm，其距离柔性可拉伸薄膜1的表面 50-200μm；所述的菲涅尔波带片3由激光改性环带组成，其直径为200-300μm，位于柔性可拉伸薄膜1的表面。

进一步地，所述的衍射光栅2的一阶衍射角可调节范围为7.36±0.17° -5.08±0.1°、二阶衍射角可调节范围为14.75±0.13°-10.12±0.2°、三阶衍射角可调节范围为22.39±0.17°-15.41±0.24°；所述的菲涅尔波带片3的可拉伸到原有尺寸的107.29％，并在子午面和弧矢面分别对入射光束进行聚焦。

一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，具体步骤如下：

(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可拉伸薄膜；

具体步骤为：配置预聚物，并将其旋涂、匀胶、固化，最终得到柔性可拉伸薄膜；

(2)、飞秒激光直写加工衍射光学元件：

具体步骤为：所用激光为脉冲飞秒激光，所用加工材料为步骤(1)制备的柔性可拉伸薄膜，采用逐线扫描的方式进行激光加工；首先，依据所设计的衍射光学元件的结构建立与之对应的激光加工数据，即使用MATLAB、Visual Basic 或C语言软件编写出衍射光学元件的三维空间坐标；然后，将衍射光学元件的坐标数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时将激光焦点聚焦到PDMS薄膜内部或薄膜表面，选定初始加工位置，进行逐线扫描；最后，得到与坐标数据对应的衍射光学元件；所述衍射光学元件为衍射光栅2或菲涅尔波带片3；

(3)、机械拉伸调节衍射光学元件的光学性能；

通过机械拉伸的方式调节衍射光栅2的衍射角：

首先，两个干板夹分别固定加工有光栅结构的柔性可调节薄膜的两端；接下来将两个干板夹分别固定在两组一维位移平台上；然后，调节两组一维位移台水平方向上的位置，对柔性光栅进行拉伸，改变光栅常数，实现光栅衍射角的变化；最后，当柔性可调节衍射光栅的衍射角满足目标值时，固定两组位移台的位置，此时便得到了所需的衍射光学元件；

通过机械拉伸的方式调节菲涅耳波带片3的焦点：

首先，两个干板夹分别固定加工有菲涅尔波带片结构的柔性可调节薄膜的两端；接下来将两个干板夹分别固定在两组一维位移平台上；然后，调节两组一维位移台水平方向上的位置，对柔性菲涅尔波带片进行拉伸，实现菲涅尔波带片聚焦焦点的变化；最后，当柔性可调节菲涅尔波带片的衍射角满足目标值时，固定两组位移台的位置，此时便得到了所需的衍射光学元件；

进一步地，步骤(1)所述制备柔性可拉伸薄膜的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)；首先，将10-50mL PDMS预聚物滴加在载玻片上，并用匀胶机匀胶，所用转速为500-2000r/min，时间为5-30s；然后，对载玻片上的PDMS预聚物进行热固化处理，所用温度为60-80℃，时间60-120min；最后，将固化后的PDMS薄膜从载玻片上剥离，得到柔性可拉伸薄膜；所述PDMS预聚物，具体配置方法为：首先，按照重量比10:1称取PDMS原液与固化剂，所用PDMS固化剂为硅烷偶联剂等商用配套试剂，利用搅拌棒手动将两种试剂进行5min的搅拌混合；然后，将得到的试剂在室温下放置到真空箱中，启动真空箱并静置去除试剂内的气泡，所用真空箱的真空度为1-20kPa，时间为5-30min。所述的载玻片尺寸为76.2mm ×25.4mm。

进一步地，步骤(2)所述飞秒激光波长为343-1030nm，脉冲频率为1-50kHz，实验所需激光功率密度为0.01-0.1mJ/cm²；所述的光栅结构，周期为5-10μm，每条线的扫描速度是50-300mm/s；所述的菲涅尔波带片结构，直径为200-300μm，单点曝光时间是50-300μs。

进一步地，步骤(3)所述干板夹可夹持的物体厚度范围为<7mm，一维位移平台的行程为150mm。

本发明还提供了一种柔性可调节光学元件在边发射式半导体激光器出射光束整形方面的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、利用飞秒激光直写技术制备的掩埋型衍射光学元件较于传统的加工方式在材料表面所制备的结构具有稳定，不易受外界环境如灰尘、水汽等影响的优势；

(2)、利用机械拉伸的方式对柔性可调节薄膜内部的衍射光学元件进行拉伸，有效地实现了光栅衍射角的调节及菲涅尔波带片聚焦焦点的调节，具有易于操作，可自由调控衍射元件光学性能的优点。

附图说明

图1为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅的结构示意图；

图2为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的形貌表征图；

其中：a为衍射光学元件—光栅的实物图；b为衍射光学元件—光栅的显微镜照片；c为衍射光学元件—光栅横截面的扫描电子显微镜照片；

图3为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅的拉伸前后的对比图；

其中：a为衍射光学元件—光栅拉伸前的实物图；b为衍射光学元件—光栅拉伸后的实物图；

图4为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅动态调节过程中的实物图；

其中：a-e分别为光栅拉伸到原有尺寸的0％，113.95％，129.07％，131.98％，148.83％的实物图；

图5为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中衍射角光斑变化的实物图；

其中：a-e分别为光栅拉伸到原有尺寸的0％，113.95％，129.07％，131.98％，148.83％时衍射光斑的实物图；

图6为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅动态调节过程中的拉伸量与光栅衍射角关系的折线图；

其中：a-c分别为一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中的拉伸量与光栅一阶、二阶、三阶衍射角关系的折线图；

图7为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中的拉伸量与光栅归一化衍射效率关系的折线图；

图8为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片的结构示意图；

图9为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片拉伸前后的显微镜照片；

其中：a为一种用于激光光斑整形的柔性可调节菲涅尔波带片未拉伸时的显微镜照片图，b为一种用于激光光斑整形的柔性可调节菲涅尔波带片拉伸到原有尺寸的107.29％后的显微镜照片图；

图10为本发明的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片拉伸前后聚焦焦点的显微镜照片；

其中：a为一种用于激光光斑整形的柔性可调节菲涅尔波带片未拉伸时的聚焦焦点的显微镜照片，b为一种用于激光光斑整形的柔性可调节菲涅尔波带片拉伸到原有尺寸的107.29％后子午面聚焦焦点显微镜照片，c为一种用于激光光斑整形的柔性可调节菲涅尔波带片拉伸到原有尺寸的107.29％后弧矢面聚焦焦点显微镜照片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

通过飞秒激光直写技术制备了用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅。

如图1所示，本发明提供了一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，所述柔性可调节衍射光学元件为加工在柔性可拉伸薄膜内部的光栅结构，由柔性可拉伸薄膜1及光栅2组成；

所述的柔性可拉伸薄膜1由一层透明弹性薄膜组成，包裹在光栅2的四周，用于为光栅2提供稳定的支撑及控制每条光栅的拉伸和位移。

所述的光栅2由数条按照一定周期均匀密排布的激光改性线组成，位于柔性可拉伸薄膜1内部，起到衍射、改变入射激光束方向的作用。

所述的柔性可拉伸薄膜1为固化的聚合物PDMS(聚二甲基硅氧烷)，其厚度为700-800μm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的光栅2为激光改性线组成，其周期为3-10μm、长度为1-3mm，宽度为1-3mm，其距离柔性可拉伸薄膜 1的表面50-200μm。

所述的激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的一阶衍射角可调节范围为7.36±0.17°-5.08±0.1°、二阶衍射角可调节范围为14.75±0.13°-10.12 ±0.2°、三阶衍射角可调节范围为22.39±0.17°-15.41±0.24°。

一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—光栅的制备方法，具体步骤如下：

(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可调节薄膜1；

具体步骤为：所用到的聚合物PDMS在固态下在近紫外、可见光、中红外波段具有良好的透光性、生物兼容性、低杨氏模量等。将液态的PDMS与固化剂按照质量比10:1的比例进行称重，在塑料烧杯内用搅拌棒手动搅拌均匀1min将二者搅拌均匀。然后将调配好的聚合物试剂放置在真空箱内，开启真空泵，调整真空箱的真空度到9kPa，并在室温下静置10min去除试剂内的气泡。将配制好的 20mL PDMS预聚物一次性地缓慢滴加在载玻片上，放置在匀胶机内进行旋涂匀胶。旋涂的参数为500r/min，时间为10s。然后将覆盖有PDMS预聚物的载玻片放置在加热台上加热120min，加热温度为80℃。最后待固化的样品自然降温并取出，使用镊子对柔性可调节薄膜1与载玻片进行分离，此时可得到厚度约为720μm 的柔性可调节薄膜1。

(2)、飞秒激光直写加工柔性可调节光栅；

具体步骤为：根据实验所需的结构设计光栅阵列，确定光栅的长度、宽度、周期等参数；在这里加工的光栅的长度为2mm，宽度为2mm，周期为5μm。然后，依据所设计的光栅阵列建立与之对应的激光焦点的运动轨迹，即使用MATLAB语言软件编写出一组三维的空间点阵坐标；随后，将343nm的飞秒激光放大器的激光焦点的运动轨迹数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时将激光焦点聚焦到柔性可拉伸薄膜1内部50μm处，选定初始加工位置，在利用MATLAB编写的软件的控制下进行逐点扫描。为了保证加工的光栅阵列的精确度，使用的是数值孔径为0.9，放大倍数为40倍的尼康物镜，并使用了三轴联动位移台。实验中用到的激光的脉冲频率为5KHz，激光功率密度为0.01mJ/cm²，光栅上每条线的扫描速度为50mm/s，加工耗时27min，此时得到所需的柔性可调节衍射光栅结构。

通过图2中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的形貌表征图可以看出利用飞秒激光直写方式在柔性可调节薄膜内加工的光栅阵列结构均匀、形貌良好、具有明显的结构色。

(3)机械拉伸对柔性可调节衍射光栅进行调控；

具体步骤为：将两组干板夹分别固定在柔性可调节薄膜1的两端，并将两组干板夹分别固定在两组位于同一水平线上的一维位移台上。利用一维位移台的移动对柔性可调节薄膜1提供机械拉力，进而实现对衍射光栅结构的拉伸。

通过图3中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的拉伸前后对比图可以看出柔性可拉伸薄膜具有良好的弹性，在拉伸的过程中不易破损。

通过图4中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中的实物图可以看出，在调节的过程中光栅结构未发生破损，形貌良好，具有良好的可调节能力。

(4)对柔性可调节衍射光栅的激光光束整形能力进行测试；

具体步骤为：使用632.8nm的激光束垂直入射柔性可调节衍射光栅，并在光栅后侧放置白色成像屏幕，便于对激光衍射光斑进行观察测量。利用一维位移台对柔性可调节衍射光栅结构均匀施加持续的拉力，逐渐改变光栅常数。根据公式 dsin0＝kλ，可知随着光栅的拉伸，光栅常数d变大，光栅衍射角θ变小。

通过图5中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中衍射角光斑变化的实物图可以看出，光栅的零级衍射光斑位置未发生变化，一级、二级、三级、衍射光栅逐渐接近零级衍射光斑，证明了柔性可调节衍射光学元件对入射激光束的出射方向具有一定的调节能力；

通过图6中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中的拉伸量与光栅衍射角关系的折线图可以看出，随着光栅拉伸量的增加，光栅的一级、二级、三级衍射角逐渐减小，与图5中所观察到的现象相符合；

通过图7中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件动态调节过程中的拉伸量与光栅归一化衍射效率关系的折线图可以看出，在光栅拉伸的过程中，光栅的一级、二级、三级归一化衍射效率未发生明显变化，证明柔性可调节衍射光栅结构具有良好的稳定性，为其在微型光谱仪等方面的应用打下了良好的基础；

实施例2

通过飞秒激光直写技术制备了用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片。

如图8所示，本发明提供了一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，所述柔性可调节衍射光学元件为加工在柔性可拉伸薄膜内的菲涅尔波带片结构，由柔性可拉伸薄膜1、菲涅尔波带片3组成；

所述的柔性可拉伸薄膜1由一层透明弹性薄膜组成，均匀包裹在菲涅尔波带片3的四周，用于为菲涅尔波带片3提供稳定的支撑及控制波带片每一条环带的拉伸和位移。

所述的菲涅尔波带片由数条按照一定周期均匀密排布的激光改性环带组成，位于柔性可拉伸薄膜1内部，起到衍射、对入射激光束进行整形的作用。

所述的柔性可拉伸薄膜1为固化的聚合物PDMS(聚二甲基硅氧烷)，其厚度为700-800μm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的菲涅尔波带片3为激光改性环带组成，其直径为200-300μm，位于柔性可拉伸薄膜1的表面。

所述的激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片在调节过程中，其横向的长度可达到原尺寸的107.29％，分别在子午面和弧矢面形成两个聚焦焦点。

一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件—菲涅尔波带片的制备方法，具体步骤如下：

(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可调节薄膜1；

具体步骤为：所用到的聚合物PDMS在固态下在近紫外、可见光、中红外波段具有良好的透光性、生物兼容性、低杨氏模量等。将液态的PDMS与固化剂按照质量比10:1的比例进行称重，在塑料烧杯内用搅拌棒手动搅拌均匀1min将二者搅拌均匀。然后将调配好的聚合物试剂放置在真空箱内，开启真空泵，调整真空箱的真空度到9kPa，并在室温下静置10min去除试剂内的气泡。将配制好的 20mL PDMS试剂一次性地缓慢滴加在载玻片上，放置在匀胶机内进行旋涂匀胶。旋涂的参数为500r/min，时间为10s。然后将覆盖有PDMS预聚物的载玻片放置在加热台上加热120min，加热温度为80℃。最后待固化的样品自然降温并取出，使用镊子对柔性可调节薄膜1与载玻片进行分离，此时可得到厚度约为720μm 的柔性可调节薄膜1。

(2)、飞秒激光直写加工柔性可调节菲涅尔波带片；

具体步骤为：根据实验所需设计菲涅尔波带片，其直径为297μm；所用激光为脉冲飞秒激光，所用加工材料为柔性可调节薄膜1，采用点-线-面的扫描的方式进行激光加工。首先，依据所设计的菲涅尔波带片结构和点-线-面扫描的方式，建立与之对应的激光焦点的运动轨迹，即使用MATLAB软件编写出一组空间点阵坐标；随后，将扫描振镜的激光焦点的运动轨迹数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时利用扫描振镜将激光焦点聚焦到固化后的柔性可调节薄膜1 的表面，选定初始加工位置，在MATLAB软件控制下进行点-线-面扫描，减材加工出与坐标数据对应的菲涅尔波带片。该过程中用到的飞秒激光波长为343nm，脉冲频率为5kHz，实验所需激光功率密度为0.01mJ/cm²，单点曝光时间是50μs，加工用时53s。在加工的过程中要保证柔性可调节薄膜1垂直于扫描振镜光轴放置在激光焦点。利用吹耳球清理菲涅尔波带片周围残留的加工碎屑，通过这一方式可以得到所需的菲涅尔波带片3。

(3)机械拉伸对柔性可调节菲涅尔波带片进行调控；

具体步骤为：将两组干板夹分别固定在菲涅尔波带片3的两端，并将两组干板夹分别固定在两组位于同一水平线上的一维位移台上。利用一维位移台的移动对柔性可调节薄膜1提供机械拉力，进而实现对菲涅尔波带片3的拉伸。

通过图9中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的拉伸前后的显微镜照片可以看出柔性可调节菲涅尔波带片具有良好的弹性，在拉伸的过程结构未发生破损。

(4)对柔性可调节菲涅尔波带片的激光光束整形能力进行测试；

具体步骤为：使用白光光源束垂直入射柔性可调节菲涅尔波带片，并利用显微镜对菲涅尔波带片调节前后的聚焦光斑进行观察测量。

通过图10中一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件拉伸前后聚焦光斑的显微镜照片可以看出。未调节时，菲涅尔波带片的聚焦光斑呈圆形；调节后，菲涅尔波带片分别在子午面和弧矢面形成两个不同的聚焦光斑。

本实施例还提供了一种柔性可调节光学元件在边发射式半导体激光器出射光束整形方面的应用。

边发射式半导体激光器受到其内部非对称波导结构的影响，其出射光束在不同的方向具有不同的出射角。可以利用柔性可调节菲涅尔波带片的两组聚焦光斑，分别匹配边发射式半导体激光器出射光束的快慢轴。对光束进行整形，使其汇聚于一点，提高出射光束光斑质量。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，包括柔性可调节薄膜(1)及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅(2)或菲涅尔波带片(3)；

所述的柔性可调节薄膜(1)为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；

所述的衍射光栅(2)位于柔性可调节薄膜(1)内部，起到衍射光线，改变入射激光束传播方向的作用；

所述的菲涅尔波带片(3)位于柔性可调节薄膜的表面，起到衍射光线，改变入射激光束聚焦光斑形貌的作用。

2.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，所述的柔性可调节薄膜(1)为固化的PDMS薄膜，厚度为700-800mm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的衍射光栅(2)由激光改性线组成，其周期为3-10m、长度为1-3mm，宽度为1-3mm，其距离柔性可拉伸薄膜1的表面50-200m；所述的菲涅尔波带片(3)由激光改性环带组成，其直径为200-300m，位于柔性可拉伸薄膜1的表面。

3.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，所述的衍射光栅(2)的一阶衍射角可调节范围为7.36±0.17°-5.08±0.1°、二阶衍射角可调节范围为14.75±0.13°-10.12±0.2°、三阶衍射角可调节范围为22.39±0.17°-15.41±0.24°；所述的菲涅尔波带片(3)的可拉伸到原有尺寸的107.29％，并在子午面和弧矢面分别对入射光束进行聚焦。

4.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可拉伸薄膜；

(2)、飞秒激光直写加工衍射光学元件：

具体步骤为：所用激光为脉冲飞秒激光，所用加工材料为步骤(1)制备的柔性可拉伸薄膜，采用逐线扫描的方式进行激光加工；首先，依据所设计的衍射光学元件的结构建立与之对应的激光加工数据，即使用MATLAB、Visual Basic或C语言软件编写出衍射光学元件的三维空间坐标；然后，将衍射光学元件的坐标数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时将激光焦点聚焦到PDMS薄膜内部或薄膜表面，选定初始加工位置，进行逐线扫描；最后，得到与坐标数据对应的衍射光学元件；所述衍射光学元件为衍射光栅(2)或菲涅尔波带片(3)；

(3)、机械拉伸调节衍射光学元件的光学性能；

通过机械拉伸的方式调节衍射光栅(2)的衍射角：

通过机械拉伸的方式调节菲涅耳波带片(3)的焦点：

首先，两个干板夹分别固定加工有菲涅尔波带片结构的柔性可调节薄膜的两端；接下来将两个干板夹分别固定在两组一维位移平台上；然后，调节两组一维位移台水平方向上的位置，对柔性菲涅尔波带片进行拉伸，实现菲涅尔波带片聚焦焦点的变化；最后，当柔性可调节菲涅尔波带片的衍射角满足目标值时，固定两组位移台的位置，此时便得到了所需的衍射光学元件。

5.如权利要求4所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述制备柔性可拉伸薄膜的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)；首先，将10-50mL PDMS预聚物滴加在载玻片上，并用匀胶机匀胶，所用转速为500-2000r/min，时间为5-30s；然后，对载玻片上的PDMS预聚物进行热固化处理，所用温度为60-80℃，时间60-120min；最后，将固化后的PDMS薄膜从载玻片上剥离，得到柔性可拉伸薄膜；所述PDMS预聚物，具体配置方法为：首先，按照重量比10:1称取PDMS原液与固化剂，所用PDMS固化剂为硅烷偶联剂等商用配套试剂，利用搅拌棒手动将两种试剂进行5min的搅拌混合；然后，将得到的试剂在室温下放置到真空箱中，启动真空箱并静置去除试剂内的气泡，所用真空箱的真空度为1-20kPa，时间为5-30min。所述的载玻片尺寸为76.2mm×25.4mm。

6.如权利要求4所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述飞秒激光波长为343-1030nm，脉冲频率为1-50kHz，实验所需激光功率密度为0.01-0.1mJ/cm²；所述的光栅结构，周期为5-10mm，每条线的扫描速度是50-300mm/s；所述的菲涅尔波带片结构，直径为200-300mm，单点曝光时间是50-300ms。

7.如权利要求4所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述干板夹可夹持的物体厚度范围为<7mm，一维位移平台的行程为150mm。

8.一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件在边发射式半导体激光器出射光束整形方面的应用。