CN114047569A - 一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件及方法，根据入射光波长和所需一字线光斑的发散角得到光栅最小周期，然后以光栅最小周期为初始周期，逐步增加光栅的周期，以得到多个周期渐变的光栅，再将全部光栅按照周期递增规律放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件，整个制备方法步骤简便，可操作性强；通过控制光栅的个数即可控制一字型线光斑的长度，满足对一字型线光斑长度的可控性要求；通过控制所述光栅的刻蚀深度，即可以使单个光栅实现一分二的分束功能，得到±1级的分束能量总和达到80％以上，且无中心亮点，得到光斑长度可控的线光斑，同时可以减弱衍射光对所得到线光斑的影响。
Description
技术领域
本发明涉及激光光束的变换技术领域，尤其涉及的是一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件及方法。
背景技术
一字型线光斑，是指通过系统形成一条亮度均匀的直线，而一字型线光斑在激光扫描、激光医疗、激光定位、广告显示等行业都有较为广阔的应用，但是在不同激光使用行业中对一字型线光斑的特定长度会根据需求而有所不同。
现有技术中形成一字型线光斑的结构有多种：
1.采用鲍威尔棱镜，利用入射光入射到元件的入射角的不同，得到出射的不同发散角，以实现线性光斑；
2.柱透镜阵列，其微结构就是一个个微小的柱透镜；
3.衍射光学特征图形，基于衍射光学理论，将一字型线光斑作为目标的图形，算出衍射元件的相位信息，以得到所需要的衍射光学元件。
但是，现有技术中的形成一字型线光斑的结构存在各种不同的问题，如对一字型线光斑的长度的可控性达不到要求；整个形成一字型线光斑的系统结构复杂，设备成本高，实现步骤繁琐复杂；形成的一字型线光斑效果不能达到要求(例如，衍射特征图形的方法会有衍射光斑)，等等。所以，亟待一种实现一字型线光斑的衍射光学元件结构，结构简单，操作性强，对一字型线光斑长度可控，衍射光影响小的一字型线光斑实现方法。
因此，现有的技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件及方法，旨在解决现有技术中存在的一个或多个问题。
本发明的技术方案如下：
本技术方案提供一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：获取入射光的波长，根据所述入射光的波长和所需的一字线光斑的发散角得到第一个光栅周期，定义该第一个光栅周期为最小光栅周期，得到与该最小光栅周期对应的光栅结构，并定义该光栅为第一光栅；
S2：设定预设周期递增步长；
S3：使前一个光栅周期增加一个预设周期递增步长，得到第m+1个光栅周期，得到与该第m+1个光栅周期对应的光栅结构，并定义该光栅为第m+1个光栅，m为大于或等于1的整数；
S4：重复执行S3，直到得到的全部光栅的周期之和等于衍射光学元件的总周期，将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
进一步地，所述S4具体包括以下步骤：
s41：判断得到的全部光栅的周期之和是否等于衍射光学元件的总周期，是跳转至s42，否跳转至S3；
s42：将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
进一步地，所述S1，根据光栅方程θ＝arcsin(λ/d)，得到最小的光栅周期 d；其中θ为一字线光斑的发散角，λ为入射光的波长，d为最小的光栅周期。
进一步地，所述s42中，将得到的全部光栅按照光栅周期的递增规律逐个沿直线放入衍射光学元件的微结构中。
进一步地，相邻两个光栅之间无间隙排列或相邻两个光栅之间间隙排列。
进一步地，当相邻两个光栅之间间隙排列时，所述间隙的宽度等于前一个光栅的宽度。
进一步地，所述S2中，所述预设周期递增步长根据实际需要而设定，如 1um～5um。
进一步地，还包括以下过程：根据所述入射光的波长λ和所述光栅采用的材料控制所述光栅的刻蚀深度。
进一步地，所述光栅采用熔融石英玻璃或普通玻璃或ZnSe制成。
本技术方案还提供一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件，采用如上述任一所述的制备方法制得。
通过上述可知，本技术方案根据入射光的波长和所需的一字线光斑的发散角得到光栅的最小周期，然后以光栅的最小周期为初始周期，逐步增加光栅的周期，以得到多个周期渐变的光栅，再将全部光栅按照周期的递增规律放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件，整个制备方法步骤简便，可操作性强；通过控制光栅的个数即可控制一字型线光斑的长度，满足对一字型线光斑长度的可控性要求；根据所述入射光的波长和所述光栅采用的材料控制所述光栅的刻蚀深度，通过控制所述光栅的刻蚀深度，即可以使单个光栅实现一分二的分束功能，得到±1级的分束能量总和达到80％以上，且无中心亮点，得到光斑长度可控的线光斑，同时可以减弱衍射光对所得到线光斑的影响；整个实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的结构简单，具有能量利用率高、衍射光影响小、易于批量加工、光斑的长度可控等优点。
附图说明
图1是本发明中实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法的步骤流程图。
图2是本发明中实施例中实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的结构示意图。
图3是本发明中光栅一分二分束结果图。
图4是本发明中得到的一字线光斑的效果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，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，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
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“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：获取入射光的波长λ，根据所述入射光的波长λ和所需的一字线光斑的发散角θ得到第一个光栅周期dmin，定义该第一个光栅周期dmin为最小光栅周期，得到与该最小光栅周期dmin对应的光栅结构，并定义该光栅为第一光栅；
S2：设定预设周期递增步长；
S3：使前一个光栅周期增加一个预设周期递增步长，得到第m+1(m为大于或等于1的整数)个光栅周期dm+1，得到与该第m+1个光栅周期dm+1对应的光栅结构，并定义该光栅为第m+1个光栅；
S4：重复执行S3，直到得到的全部光栅的周期之和等于衍射光学元件的总周期，将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
在某些具体实施例中，所述S4具体包括以下步骤：
s41：判断得到的全部光栅的周期之和是否等于衍射光学元件的总周期，是跳转至s42，否跳转至S3；
s42：将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
具体地，获取入射光的波长λ，根据所述入射光的波长λ和所需的一字线光斑的发散角θ得到第一个光栅周期dmin，定义该第一个光栅周期dmin为最小光栅周期，得到与该最小光栅周期dmin对应的光栅结构，并定义该光栅为第一光栅；设定预设周期递增步长，以所述最小光栅周期dmin为起始周期，使所述最小光栅周期dmin增加一个预设周期递增步长，得到第二个光栅周期d2，得到与该第二个光栅周期d2对应的光栅结构，并定义该光栅为第二光栅；使第二个光栅周期d2增加一个预设周期递增步长，得到第三个光栅周期d3，得到与该第三个光栅周期d3对应的光栅结构，并定义该光栅为第三光栅......不断循环，使前一个光栅周期增加一个预设周期递增步长，得到第m+1(m为大于或等于1 的整数)个光栅周期dm+1，得到与该第m+1个光栅周期dm+1对应的光栅结构，并定义该光栅为第m+1个光栅，直到得到的全部光栅的周期之和等于衍射光学元件的总周期，将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
其中，所述S1，根据光栅方程θ＝arcsin(λ/d)(θ为一字线光斑的发散角，λ为入射光的波长(这里指激光))，求得最小的光栅周期dmin。
其中，所述衍射光学元件是指使用嵌入在元件中的薄微结构(即光栅)将输入激光束控制为各种输出轮廓和形状的光学元件。
其中，得到的全部光栅按照光栅周期的递增规律逐个沿直线放入衍射光学元件的微结构中，即后一个光栅的光栅周期与前一个光栅的光栅周期的差为一个预设周期递增步长。
在某些具体实施例中，所述衍射光学元件内的相邻两个光栅之间可以无间隙设置，也可以根据需要实现间隙设置(亦即两个相邻光栅之间有留白)，因为相邻两个光栅之间无间隙设置，得到的一字线光斑的效果越好，但是整个渐变周期光栅衍射元件的结构也会变得相应复杂，加工成本也会相应增加，在满足一字线光斑的效果的前提下，相邻两个光栅之间可以间隙设置，能有效简化整个渐变周期光栅衍射元件的结构，降低加工成本。
在某些具体实施例中，相邻两个光栅之间间隙设置，所述间隙宽度等于前一个光栅的宽度。
本技术方案中，对于波长为λ的激光，经过周期为d的光栅，其发散角可以根据光栅方程得出，θ＝arcSin(λ/d)，所以激光经过衍射光栅之后，其发散角和光栅的周期成反比，则可以得出，与一字线光斑的发散角对应的光栅的结构周期，定义该周期为最小光栅周期，以此最小光栅周期为基础，以一定周期步长增加光栅周期，以得到周期逐渐递增的多个光栅，将全部光栅逐一放入衍射光学元件的微结构中，当增加的周期步长足够小，且光栅的数量足够多时，即可实现一个一字型线光斑。
在某些具体实施例中，所述S2中，所述预设周期递增步长根据实际需要而设定，如1um～5um。
在某些具体实施例中，为了减弱衍射光对所得到线光斑的影响，根据入射光的波长λ和所述光栅采用的材料控制所述光栅的刻蚀深度；根据光栅的效率公式可知(其中，所述光栅的效率公式在《矩形光栅衍射效率的一般表达式及其缺级现象》(巴音贺希格，齐向东，唐玉国，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130022)一文进行了详细描述；而本技术方案中，所涉及的情况仅为正入射的情形，即相位差为π的情形，即其占空比为：黑/(黑+ 白)＝1/2情形下，黑和白是指入射光经过光栅凹凸面的衍射后形成的相位差为π的两个波形)，通过控制所述光栅的刻蚀深度，即可以使单个光栅实现一分二的分束功能(如图3所示)，得到±1级的分束能量总和达到80％以上，且无中心亮点，最终可得到光斑长度可控的线光斑；这里所述的光栅是指放入衍射光学元件的微结构中的全部光栅。
在某些具体实施例中，根据公式：刻蚀深度＝λ/[2*(n-1)]控制所述光栅的刻蚀深度，λ是入射光的波长，n是制作光栅材料的折射率；这样，控制全部光栅的刻蚀深度(全部光栅的刻蚀深度均相等)，以减弱衍射光对所得到线光斑的影响。
在某些具体实施例中，所述光栅根据实际需要采用不同的材料制成，包括但不限于熔融石英玻璃或普通玻璃或ZnSe(硒化锌)。
本技术方案还保护一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件，采用如上述所述的制备方法制得。
根据上述实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件及其制备方法，现列举以下实施例加以说明：
入射光采用波长为532nm的激光，要求实现发散角为10°(半角)的一字线性光斑，光栅采用的材料为熔融石英，衍射光学元件的总周期为800um。
根据上述条件，根据光栅方程θ＝arcsin(λ/d)，可以得出最小光栅周期dmin 为3.06um；以3.06um为基础，以1um为步长(即预设周期递增步长)，逐渐增加光栅的周期，得到周期逐渐递增的多个光栅，如图2所示，直到得到的全部光栅的周期之和等于800um，相邻两个光栅之间可以适当的进行留白；根据公式：刻蚀深度＝λ/[2*(n-1)]，每个光栅的刻蚀深度可以根据波长结合所加工的元件材料(此处为熔融石英)算出，线光斑结果如图4所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：获取入射光的波长，根据所述入射光的波长和所需的一字线光斑的发散角得到第一个光栅周期，定义该第一个光栅周期为最小光栅周期，得到与该最小光栅周期对应的光栅结构，并定义该光栅为第一光栅；
S2：设定预设周期递增步长；
S3：使前一个光栅周期增加一个预设周期递增步长，得到第m+1个光栅周期，得到与该第m+1个光栅周期对应的光栅结构，并定义该光栅为第m+1个光栅，m为大于或等于1的整数；
S4：重复执行S3，直到得到的全部光栅的周期之和等于衍射光学元件的总周期，将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
2.根据权利要求1所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，所述S4具体包括以下步骤：
s41：判断得到的全部光栅的周期之和是否等于衍射光学元件的总周期，是跳转至s42，否跳转至S3；
s42：将得到的全部光栅放入衍射光学元件的微结构中，最终得到具有渐变周期光栅阵列的衍射光学元件。
3.根据权利要求1或2任一所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，所述S1，根据光栅方程θ＝arcsin(λ/d)，得到最小的光栅周期d；其中θ为一字线光斑的发散角，λ为入射光的波长，d为最小的光栅周期。
4.根据权利要求2所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，所述s42中，将得到的全部光栅按照光栅周期的递增规律逐个沿直线放入衍射光学元件的微结构中。
5.根据权利要求1或2任一所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，相邻两个光栅之间无间隙排列或相邻两个光栅之间间隙排列。
6.根据权利要求5所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，当相邻两个光栅之间间隙排列时，所述间隙的宽度等于前一个光栅的宽度。
7.根据权利要求1或2任一所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，所述S2中，所述预设周期递增步长根据实际需要而设定，如1um～5um。
8.根据权利要求1所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，还包括以下过程：根据所述入射光的波长λ和所述光栅采用的材料控制所述光栅的刻蚀深度。
9.根据权利要求8所述的实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件的制备方法，其特征在于，所述光栅采用熔融石英玻璃或普通玻璃或ZnSe制成。
10.一种实现一字线光斑的渐变周期光栅衍射元件，其特征在于，采用如权利要求1至9任一所述的制备方法制得。
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