CN113296178A - 一种co2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，按照以下步骤进行：S1、设定CO2激光器的参数；S2、在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑的高斯型烧蚀凹坑；S3、检测高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积；S4、在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑；S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的正弦相位光栅。采用以上方法，经济高效，能够利用CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅，不仅可以实现一维正弦相位光栅，而且可以方便灵活地实现多种结构二维正弦相位光栅的制备，并且制备的正弦相位光栅激光损伤阈值高，可以实现强激光光束分束，在多光束干涉微结构激光加工领域具有重要的应用。

Description

一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法
技术领域
本发明涉及光学元件制备技术领域，具体涉及一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法。
背景技术
正弦相位光栅由于其能量利用率高，在光波变换中具有广泛的应用。传统上正弦相位光栅的制备方法主要有光刻技术、聚焦离子束刻蚀、电子束光刻、纳米压印和热压印等技术等；其中，光刻技术、聚焦离子束刻蚀和电子束光刻虽然制备质量高，但是制备过程不仅繁琐耗时，而且费用高昂；而纳米压印和热压印技术则难以应用于硬脆性的熔石英材料。
目前，激光技术已用于加工熔石英微光学元件，Kostyuk等人(Optics and Lasersin Engineering,92:63–69,2017)公开了一种把石墨放置在透明熔石英后面，采用1064nm光纤激光基于激光诱导黑体加热技术制备熔石英正弦相位光栅的方法；Choi等人(Optics&Laser Technology,75:63–70,2015)公开了一种首先用飞秒激光在熔石英表面制备周期性微光栅，然后用CO2激光束多次辐照进行轮廓重新整形，在熔石英表面形成平凸微柱透镜阵列；中国专利CN106125166A公开了一种原位调控材料微结构制备熔石英微透镜阵列的方法，首先采用CO2激光辐照调控熔石英材料微结构，然后再通过氢氟酸刻蚀形成凹面微透镜阵列；中国专利CN107052584A公开了激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，不仅需要激光重复扫描在熔石英表面，才能自组织形成光栅结构，而且只能制备周期与CO2激光波长相当的一维光栅。
因此，由以上可知，目前利用激光加工诸如正弦相位光栅的熔石英微光学元件都是采用多种技术相结合的方法，存在工艺较为复杂的问题。
针对目前激光直接加工熔石英正弦相位光栅技术遇到的瓶颈，急需进行制备技术创新，开发一种正弦相位光栅制备新方法，实现经济高效地使用激光直接制备熔石英正弦相位光栅。
发明内容
为解决激光不能直接制备熔石英正弦相位光栅的技术问题，本发明提供了一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法。
其技术方案如下：
一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其要点在于，按照以下步骤进行：
S1、根据需要成型的正弦相位光栅的参数，设定CO2激光器的参数；
S2、CO2激光器发射CO2激光束聚焦辐照熔石英表面一次，在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑的高斯型烧蚀凹坑；
S3、检测步骤S2形成的高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积：否，调整CO2激光器的参数，重新发射CO2激光束烧蚀熔石英表面形成新的高斯型烧蚀凹坑，并重复检测新形成的高斯型烧蚀凹坑，直到该高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓无烧蚀沉积；是，进入下一步骤；
S4、在上一步骤烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑旁，依次按步骤S2和步骤S3在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑；
S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的正弦相位光栅。
采用以上方法，能够通过改变CO2激光形成的高斯型烧蚀凹坑的种类和分布，每个高斯型烧蚀凹坑的形成只需要一次辐照，无需多次重复的激光辐照，并且可以方便灵活地根据需求适应性地调整光栅周期，不仅可以实现一维正弦相位光栅的制备，而且可以实现多种结构二维正弦相位光栅的制备；通过该方法制备的正弦相位光栅激光损伤阈值高，具有优异的光束调控性能，经济高效，克服了目前技术采用激光不能直接制备熔石英正弦相位光栅的问题。
作为优选：步骤S1中，CO2激光器发射连续的CO2激光束沿一条直线的路径聚焦辐照熔石英表面，烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑为线形结构，各线形结构的高斯型烧蚀凹坑共同构成一维正弦相位光栅；其中，CO2激光器的参数为：激光的功率为56W、连续激光输出、聚焦光斑尺寸直径为120μm、扫描速度为3m/s。采用以上方法，能够制备得到一维正弦相位光栅。
作为优选：各所述高斯型烧蚀凹坑呈等间距平行排列，相邻高斯型烧蚀凹坑的间距为80μm。采用以上方法，不仅使制备得到的一维正弦相位光栅具有更加优异的光束调控性能，而且制备难度较低，更加经济高效。
作为优选：步骤S1中，CO2激光器发射一个单脉冲CO2激光束聚焦辐照熔石英表面，烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑为点状结构，各点状结构的高斯型烧蚀凹坑共同构成二维正弦相位光栅；其中，CO2激光器的参数为：激光的功率为200W、脉宽为20μs、频率为200Hz、聚焦光斑尺寸直径为220μm、扫描速度24mm/s。采用以上方法，能够制备得到二维正弦相位光栅。
作为优选：各所述高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有四个呈正方形排布的高斯型烧蚀凹坑。采用以上方法，能够制备得到呈矩阵排布的二维正弦相位光栅，不仅可以方便把入射的一束激光变成十字排列的四束等强的激光束，还可以用于矩阵排列的微结构的加工。
作为优选：各所述高斯型烧蚀凹坑呈二维阵列分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有六个呈正六边形排布的高斯型烧蚀凹坑。采用以上方法，能够制备得到呈蜂窝状排布的二维正弦相位光栅，不仅可以方便的把入射的一束激光变成呈正六边形排布的六束等强的激光束，还可以用于呈正六边形排布的微结构的加工。
作为优选：步骤S3中，利用显微镜和台阶仪检测高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积。采用以上方法，能够准确识别高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积，操作简单，稳定可靠。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，工艺简洁，易于实现，每个高斯型烧蚀凹坑的形成只需要一次辐照，无需多次重复的激光辐照，制备方法经济高效，能够利用CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅，解决了激光无法直接在熔石英表面制备正弦相位光栅的难题；该方法不仅可以实现一维正弦相位光栅，而且可以方便灵活地实现多种结构二维正弦相位光栅的制备，并且制备的正弦相位光栅激光损伤阈值高，可以实现强激光光束分束，在多光束干涉微结构激光加工领域具有重要的应用。
附图说明
图1为台阶仪测量的线形结构烧蚀坑横截面轮廓及其高斯拟合曲线；
图2为采用本发明方法制备的一维正弦相位光栅光学显微形貌图；
图3为台阶仪测量的一维正弦相位光栅横截面轮廓及其正弦拟合曲线；
图4为光斑品质分析仪测量的激光辐照在熔石英表面制备的一维正弦相位光栅上形成的衍射花样；
图5为光斑品质分析仪测量的激光辐照在熔石英表面制备的一维正弦相位光栅上取±1级两束光形成的干涉条纹花样；
图6为采用本发明方法制备的高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布的二维正弦相位光栅光学显微形貌图；
图7为台阶仪测量的高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布的二维正弦相位光栅某行烧蚀点阵沿中心的截面轮廓及其正弦拟合曲线；
图8为光斑品质分析仪测量的激光辐照在熔石英表面制备的高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布的二维正弦相位光栅上形成的衍射花样；
图9为光斑品质分析仪测量的高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布的二维正弦相位光栅形成的4束等强光束的干涉花样；
图10为采用本发明方法制备的高斯型烧蚀凹坑呈正六边形排布的二维正弦相位光栅光学显微形貌图；
图11为台阶仪测量的高斯型烧蚀凹坑呈正六边形排布的二维正弦相位光栅某行烧蚀点阵沿中心的截面轮廓及其正弦拟合曲线；
图12为光斑品质分析仪测量的激光辐照在熔石英表面制备的高斯型烧蚀凹坑呈正六边形排布的二维正弦相位光栅上形成的衍射花样；
图13为光斑品质分析仪测量的高斯型烧蚀凹坑呈正六边形排布的二维正弦相位光栅形成的6束等强光束的干涉花样。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1-图5所示，一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，按照以下步骤进行：
S1、高斯型烧蚀凹坑为线形结构，各线形结构的高斯型烧蚀凹坑共同构成一维正弦相位光栅，据此设定CO2激光器的参数：激光的功率为56W、连续激光输出、聚焦光斑尺寸直径为120μm、扫描速度为3m/s。
S2、CO2激光器发射连续的CO2激光束沿一条直线的路径聚焦辐照熔石英表面，在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑且呈线形结构的高斯型烧蚀凹坑。
S3、利用显微镜和台阶仪检测步骤S2形成的呈线形结构的高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积：否，调整CO2激光器的参数，重新发射CO2激光束烧蚀熔石英表面形成新的高斯型烧蚀凹坑，并重复检测新形成的高斯型烧蚀凹坑，直到该高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓无烧蚀沉积；是，进入下一步骤。其中，台阶仪测量线形高斯型烧蚀凹坑的横截面轮廓为高斯型曲线(请参见图1)。
S4、在上一步骤烧蚀形成的呈线形结构的高斯型烧蚀凹坑旁，依次按步骤S2和步骤S3在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑。具体地说，各高斯型烧蚀凹坑呈等间距平行排列，相邻高斯型烧蚀凹坑的间距为80μm。
S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的一维正弦相位光栅，其中，熔石英的表面规格为10mm×10mm，制得的间距为80μm的等间距呈线形结构的高斯型烧蚀凹坑构成的一维正弦相位光栅，其光学显微形貌如图2所示，表面光洁无烧蚀沉积；台阶仪测量表面截面轮廓如图3所示，表面轮廓拟合显示为正弦型。
S5、采用光斑品质分析仪测试制作的一维正弦相位光栅的分束效果，衰减的He-Ne激光束照射制作的一维正弦相位光栅，再利用焦距为100mm凸透镜把分开的光束聚焦在光斑品质分析仪的感光面上，各光束强度如图4所示，本实施例制备的一维正弦相位光栅其±1级衍射光束衍射效率平均为33.7％，接近理想一维正弦光栅的最大值33.8％。
S6、衰减的He-Ne激光束照射一维正弦相位光栅，一维正弦位光栅置于焦距分别为500mm和1500mm两个凸透镜组成的4F光学系统的物平面处，在4F光学系统的频谱面上取±1级两束衍射光束，光斑品质分析仪在4F光学系统的相平面处探测的光强分布如图5所示，为典型的干涉条纹。
实施例二：
请参见图6-图9，一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，按照以下步骤进行：
S1、高斯型烧蚀凹坑为点状结构，各高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有四个呈正方形排布的高斯型烧蚀凹坑，共同构成二维正弦相位光栅，据此设定CO2激光器的参数：激光的功率为200W、脉宽为20μs、频率为200Hz、聚焦光斑尺寸直径为220μm、扫描速度24mm/s。
S2、CO2激光器发射一个单脉冲CO2激光束聚焦辐照熔石英表面，在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑且呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑。
S3、利用显微镜和台阶仪检测步骤S2形成的呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积：否，调整CO2激光器的参数，重新发射CO2激光束烧蚀熔石英表面形成新的高斯型烧蚀凹坑，并重复检测新形成的高斯型烧蚀凹坑，直到该高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓无烧蚀沉积；是，进入下一步骤。
S4、在上一步骤烧蚀形成的呈点状结构的高斯型烧蚀凹坑旁，依次按步骤S2和步骤S3在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑。具体地说，相邻高斯型烧蚀凹坑的间距为120μm。
S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的二维正弦相位光栅，其中，熔石英的表面规格为10mm×10mm，制得的间距为120μm的呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑构成的二维正弦相位光栅，其光学显微形貌如图6所示，表面光洁无烧蚀沉积；台阶仪测量表面截面轮廓如图7所示，表面轮廓拟合显示为正弦型。
S5、采用光斑品质分析仪测试制作的呈矩阵分布的二维正弦相位光栅的分束效果，衰减的He-Ne激光束照射制作的二维正弦相位光栅，再利用焦距为100mm凸透镜把分开的光束聚焦在光斑品质分析仪的感光面上，各光束强度如图8所示，本实施例制备的各高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布的二维正弦相位光栅把入射光束分成矩阵排列的光束，其中，围绕着0级光束的虚线圆框标记的4束光等强。
S6、衰减的He-Ne激光束照射二维正弦相位光栅，二维正弦位光栅置于焦距分别为500mm和1500mm两个凸透镜组成的4F光学系统的物平面处，在4F光学系统的频谱面上取绕着0级光束的等强的4束呈矩阵分布的光束，光斑品质分析仪在4F光学系统的相平面处探测的光强分布如图9所示，为典型的呈矩阵分布的干涉点阵。
实施例三：
请参见图10-图13，一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，按照以下步骤进行：
S1、高斯型烧蚀凹坑为点状结构，各高斯型烧蚀凹坑呈二维阵列分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有六个呈正六边形排布的高斯型烧蚀凹坑，共同构成二维正弦相位光栅，据此设定CO2激光器的参数：激光的功率为200W、脉宽为20μs、频率为200Hz、聚焦光斑尺寸直径为220μm、扫描速度24mm/s。
S2、CO2激光器发射一个单脉冲CO2激光束聚焦辐照熔石英表面，在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑且呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑。
S3、利用显微镜和台阶仪检测步骤S2形成的呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积：否，调整CO2激光器的参数，重新发射CO2激光束烧蚀熔石英表面形成新的高斯型烧蚀凹坑，并重复检测新形成的高斯型烧蚀凹坑，直到该高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓无烧蚀沉积；是，进入下一步骤。
S4、在上一步骤烧蚀形成的呈点状结构的高斯型烧蚀凹坑旁，依次按步骤S2和步骤S3在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑。具体地说，相邻高斯型烧蚀凹坑的间距为103.9μm。
S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的二维正弦相位光栅，其中，熔石英的表面规格为10mm×10mm，制得的间距为103.9μm的呈矩阵分布的高斯型烧蚀凹坑构成的二维正弦相位光栅，其光学显微形貌如图6所示，表面光洁无烧蚀沉积；台阶仪测量表面截面轮廓如图7所示，表面轮廓拟合显示为正弦型。
S5、采用光斑品质分析仪测试制作的正六边形排布的二维正弦相位光栅的分束效果，衰减的He-Ne激光束照射制作的二维正弦相位光栅，再利用焦距为100mm凸透镜把分开的光束聚焦在光斑品质分析仪的感光面上，各光束强度如图12所示，本实施例制备的各高斯型烧蚀凹坑正六边形排布的二维正弦相位光栅把入射光束分成正六边形排布的光束，其中，围绕着0级光束的虚线圆框标记的6束光等强。
S6、衰减的He-Ne激光束照射二维正弦相位光栅，二维正弦位光栅置于焦距分别为500mm和1500mm两个凸透镜组成的4F光学系统的物平面处，在4F光学系统的频谱面上取绕着0级光束的等强的4束呈正六边形排布的光束，光斑品质分析仪在4F光学系统的相平面处探测的光强分布如图13所示，为典型的正六边形排布的干涉点阵。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
S1、根据需要成型的正弦相位光栅的参数，设定CO2激光器的参数；
S2、CO2激光器发射CO2激光束聚焦辐照熔石英表面一次，在熔石英表面烧蚀形成一个表面光滑的高斯型烧蚀凹坑；
S3、检测步骤S2形成的高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积：否，调整CO2激光器的参数，重新发射CO2激光束烧蚀熔石英表面形成新的高斯型烧蚀凹坑，并重复检测新形成的高斯型烧蚀凹坑，直到该高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓无烧蚀沉积；是，进入下一步骤；
S4、在上一步骤烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑旁，依次按步骤S2和步骤S3在熔石英表面烧蚀形成一个相邻的高斯型烧蚀凹坑；
S5、重复步骤S4，直到各高斯型烧蚀凹坑构成预设的正弦相位光栅。
2.根据权利要求1所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：步骤S1中，CO2激光器发射连续的CO2激光束沿一条直线的路径聚焦辐照熔石英表面，烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑为线形结构，各线形结构的高斯型烧蚀凹坑共同构成一维正弦相位光栅；其中，CO2激光器的参数为：激光的功率为56W、连续激光输出、聚焦光斑尺寸直径为120μm、扫描速度为3m/s。
3.根据权利要求2所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：各所述高斯型烧蚀凹坑呈等间距平行排列，相邻高斯型烧蚀凹坑的间距为80μm。
4.根据权利要求1所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：步骤S1中，CO2激光器发射一个单脉冲CO2激光束聚焦辐照熔石英表面，烧蚀形成的高斯型烧蚀凹坑为点状结构，各点状结构的高斯型烧蚀凹坑共同构成二维正弦相位光栅；其中，CO2激光器的参数为：激光的功率为200W、脉宽为20μs、频率为200Hz、聚焦光斑尺寸直径为220μm、扫描速度24mm/s。
5.根据权利要求4所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：各所述高斯型烧蚀凹坑呈矩阵分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有四个呈正方形排布的高斯型烧蚀凹坑。
6.根据权利要求4所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：各所述高斯型烧蚀凹坑呈二维阵列分布，且各高斯型烧蚀凹坑周围均匀分布有六个呈正六边形排布的高斯型烧蚀凹坑。
7.根据权利要求1所述的一种CO2激光在熔石英表面直接制备正弦相位光栅的方法，其特征在于：步骤S3中，利用显微镜和台阶仪检测高斯型烧蚀凹坑的表面形貌和轮廓是否无烧蚀沉积。
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