CN112782799A - 衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统，所述衍射光学元件用于在高斯光入射时，通过衍射和聚焦镜聚焦生成聚焦平顶光斑，所述衍射光学元件包括：高斯光接收模块，用于接收高斯光入射；相位调制模块，用于对所述高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制，所述相位调制模块的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；其中，所述调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。本发明采用采用全新的衍射光学元件进行整形，其平顶聚焦光斑大小更精确控制，高斯光束入射，经过衍射光学元件的相位调制，产生不同的相位差，从而在聚焦面内得到理想的平顶光束。

Description

衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统
技术领域
本发明实施例涉及光学设备技术领域，具体涉及衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统。
背景技术
目前，在激光微加工行业中，尤其是在激光剥离，激光退火，激光太阳能电池板划槽等应用中，传统的激光处理，仅仅依靠聚焦系统得到的高斯型聚焦光斑，中间能量高，边缘能量低，在加工过程中，经常出现中间区域过热过加工，而边缘区域欠加工的情况。因而，聚焦平顶光斑分布越来越成为有关行业的加工瓶颈。
当前，实现高斯型聚焦光斑转换为平顶聚焦光斑的方法主要有：非球面透镜、微透镜阵列、光阑法等。然而，此几类方法在能量利用率、元件制备难度、调式难度等方面都有不同程度的缺点。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统，用以解决现有高斯型聚焦光斑转换在能量利用率、元件制备难度、调式难度等方面存在的问题。
为实现上述目的，本发明实施例主要提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种衍射光学元件，所述衍射光学元件用于在高斯光入射时，通过衍射和聚焦镜聚焦生成聚焦平顶光斑，所述衍射光学元件包括：
高斯光接收模块，用于接收高斯光入射；
相位调制模块，用于对所述高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制，所述相位调制模块的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；
其中，所述调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
根据本发明的一个实施例，w等于入射光斑1/e对应的光斑半径。
根据本发明的一个实施例，所述相位调制模块中对应调制相位为π处的刻蚀深度为：
Figure BDA0002888158910000021
其中，λ为所述高斯光的波长，n为所述衍射光学元件的折射率。
第二方面，本发明实施例还提供一种生成聚焦平顶光斑光束的系统，包括：
激光光源，用于产生激光照射衍射光学元件，所述激光为高斯光；
所述衍射光学元件，用于对所述高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制；
聚焦镜，用于经过所述相位调制的激光进行聚焦；
其中，所述衍射光学元件的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；所述调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
根据本发明的一个实施例，w等于入射光斑1/e对应的光斑半径。
根据本发明的一个实施例，所述相位调制模块中对应调制相位为π处的刻蚀深度为：
Figure BDA0002888158910000022
其中，λ为所述高斯光的波长，n为所述衍射光学元件的折射率。
本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点：
本发明实施例提供的衍射光学元件和生成聚焦平顶光斑光束的系统，采用采用全新的衍射光学元件进行整形，其平顶聚焦光斑大小更精确控制，高斯光束入射，经过衍射光学元件的相位调制，产生不同的相位差，从而在聚焦面内得到理想的平顶光束。
附图说明
图1为本发明实施例的衍射光学元件的工作原理图。
图2为本发明对入射高斯光束进行二值化的近似sinc函数的相位调制的近似相位图。
图3为图2简化相位后的示意图。
图4为本发明一个实例中的光斑分布图。
图5为本发明实施例的生成聚焦平顶光斑光束的系统的结构框图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”和“连接”应做广义理解，例如可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例的衍射光学元件的工作原理图。如图1所示，本发明实施例的衍射光学元件用于在高斯光入射时，通过衍射和聚焦镜聚焦生成聚焦平顶光斑。衍射光学元件包括：高斯光接收模块，用于接收高斯光入射；以及相位调制模块，用于对高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制。其中，相位调制模块的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0。其中，调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
具体地，基于傅里叶变换的对应关系，远场的方形平顶光斑对应的入射光斑是sinc函数型的光场分布。而在现实当中，sinc函数型的入射光斑分布是很难直接获得的。此实施例针对入射的高斯光束进行一个近似sinc函数分束的二值化相位调制，在聚焦面内得到一个近似理想的聚焦平顶光束。
图2为本发明对入射高斯光束进行二值化的近似sinc函数的相位调制的近似相位图。如图2所示，在本实施例中，对入射高斯光束进行二值化的近似sinc函数的相位调制。其中，黑色区域代表的是非调制区域，即调制相位为0；白色区域的调制相位为π。大小正方形的边长分别是a和b。
图3为图2简化相位后的示意图。如图3所示，通过控制a、b和入射光斑大小w(入射光斑1/e对应的光斑半径)的关系，可以简化上述的相位信息。通过仿真实验，当a＝2w，b＝w时，可以在聚焦平面内得到理想平顶聚焦光斑。
图4为本发明一个实例中的光斑分布图。如图4所示，对高斯光束直接聚焦时，其聚焦光斑仍为高斯型，其聚焦光斑半径SG大小为：
Figure BDA0002888158910000041
其中，f为聚焦镜焦距；λ为激光波长，M2为激光光束质量因子。在a＝2w，b＝w情况下，聚焦面内平顶光斑大小约为1.5倍SG。
在本实施例中，衍射光学元件π相位对应的衍射光学元件的刻蚀深度为：
Figure BDA0002888158910000051
其中，n为入射波长情况下，衍射光学元件的材料折射率。可以通过半导体光刻的方法在诸如石英等材料上刻蚀出上述近似相位结构，以获得相应的衍射光学元件。
本发明采用采用全新的衍射光学元件进行整形，其平顶聚焦光斑大小更精确控制，高斯光束入射，经过衍射光学元件的相位调制，产生不同的相位差，从而在聚焦面内得到理想的平顶光束。
图5为本发明实施例的生成聚焦平顶光斑光束的系统的结构框图。如图5所示，本发明实施例的生成聚焦平顶光斑光束的系统，包括：激光光源100、衍射光学元件200和聚焦镜。
其中，激光光源100用于产生激光照射衍射光学元件，激光为高斯光。衍射光学元件200用于对高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制。聚焦镜300用于经过相位调制的激光进行聚焦。
其中，衍射光学元件的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
在本发明的一个实施例中，w等于入射光斑1/e对应的光斑半径。
在本发明的一个实施例中，相位调制模块中对应调制相位为π处的刻蚀深度为：
Figure BDA0002888158910000052
其中，λ为高斯光的波长，n为衍射光学元件的折射率。
需要说明的是，本发明实施例中的衍射光学元件200的具体实施方式与本发明实施例的衍射光学元件的具体实施方式类似，具体参见衍射光学元件部分的描述，为了减少冗余，不做赘述。
另外，本发明实施例的生成聚焦平顶光斑光束的系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件用于在高斯光入射时，通过衍射和聚焦镜聚焦生成聚焦平顶光斑，所述衍射光学元件包括：
高斯光接收模块，用于接收高斯光入射；
相位调制模块，用于对所述高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制，所述相位调制模块的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；
其中，所述调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，w等于入射光斑1/e对应的光斑半径。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述相位调制模块中对应调制相位为π处的刻蚀深度为：
Figure FDA0002888158900000011
其中，λ为所述高斯光的波长，n为所述衍射光学元件的折射率。
4.一种生成聚焦平顶光斑光束的系统，其特征在于，包括：
激光光源，用于产生激光照射衍射光学元件，所述激光为高斯光；
所述衍射光学元件，用于对所述高斯光进行sinc函数分束的二值化相位调制；
聚焦镜，用于经过所述相位调制的激光进行聚焦；
其中，所述衍射光学元件的调制区域的调制相位为π，非调制区域的调制相位为0；所述调制区域包括边长为a和b的矩形，以及边长为b的正方形，a＝2w，b＝w，w为入射光斑大小。
5.根据权利要求4所述的生成聚焦平顶光斑光束的系统，其特征在于，w等于入射光斑1/e对应的光斑半径。
6.根据权利要求4所述的生成聚焦平顶光斑光束的系统，其特征在于，所述相位调制模块中对应调制相位为π处的刻蚀深度为：
Figure FDA0002888158900000021
其中，λ为所述高斯光的波长，n为所述衍射光学元件的折射率。
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