CN115079328A - 一种几何相位光学元件制作方法及光束传播质量因子测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种几何相位光学元件制作方法及光束传播质量因子测量装置，涉及光学与光电子技术领域。上述方法包括：将多个不同传播距离的数字传播相位分布分别写入多个光栅常数不同的正弦相位光栅结构，得到多个纯相位掩膜版；将多个纯相位掩膜版叠加得到合成相位掩膜版，并进行相位深度压缩；然后将其作为目标几何相位空间分布，获得几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数；按照该光轴取向空间分布函数制作几何相位光学元件。上述装置中，入射光束依次穿过透镜组、几何相位光学元件以及第三透镜，并入射至成像装置；透镜组将入射光场的束腰调节至几何相位光学元件预设束腰附近，几何相位光学元件位于第三透镜的前焦面上，成像装置位于第三透镜的后焦面上。
Description
技术领域
本发明涉及光学与光电子技术领域，具体涉及光束传播质量因子测量技术。
背景技术
光束质量作为激光光束特性的核心参数之一，自激光器问世一来，就是人们所关心的问题。然而，与线宽、功率等拥有明确定义与测量方法的核心参数不同，光束质量的定义相对抽象，其定义与测量方法并没有完全形成共识。目前，国际上广泛使用光束传播质量因子M2(Beam propagation factor)对光束质量进行评价，并形成了相关的ISO标准(ISO11146-1:2021)。光束传播质量因子M2的计算方法是待测光束的光束参数乘积(Beamparameter product，光束宽度与远场发散角的乘积)除以理想高斯光束的光束参数乘积。激光光束通过无像差光学系统时，光束传播质量因子M2是一个传输不变量，M2≥1且M2的值偏离1越多，则激光的光束质量越差。
现有的光束传播质量因子M2测量技术基本遵循ISO 11146-1:2021标准的测量要求，在无像差光学系统中，测量聚焦过程中光束宽度的变化，从而计算获得光束传播质量因子的值。总之，M2表征过程需要层析待测光束横向结构随传播的演化，然后按照上述ISO标准计算M2的测量值。目前，常用的激光光束质量测量设备都是基于电控透镜步进系统实现光束层析的，如LaserQualityMonitor+和M2MS系列等设备。此外，还可基于数字全息系统实现全静态光学系统的光束层析，如2012年《Optics Letters》37卷22期4687页发表的《Beam-quality measurements using a spatial light modulator》中所报道的基于空间光调制器(SLM)在不移动测量系统中光学元件的条件下实现了M2的测量。
无论是基于光机电系统的商用激光光束质量测量仪，还是基于SLM数字全息的光束层析技术，虽然都可以精确测量激光的光束传播质量因子，但都无法实现低成本和结构紧凑。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的激光光束质量测量技术无法做到低成本和结构紧凑的问题，提供一种几何相位光学元件制作方法及光束传播质量因子测量装置。
本发明的几何相位光学元件制作方法包括：将多个不同传播距离的数字传播相位分布分别写入多个光栅常数不同的正弦相位光栅，得到多个纯相位掩膜版；将所述多个纯相位掩膜版叠加，得到合成相位掩膜版；将所述合成相位掩膜版进行相位深度压缩；以相位深度压缩后的合成相位掩膜版作为目标几何相位空间分布，获得几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数；以及按照所述几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数制作几何相位光学元件。
可选地，所述光轴取向空间分布函数β(x,y)为：
其中，
为以光束传播方向为z方向的空间直角坐标系下的数字传播相位分布，λ为所述光束的波长，z'＝zλ2f2，f为与所述几何相位光学元件相配合使用的、且位于所述几何相位光学元件出射端的傅里叶透镜的焦距，i为虚数，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
可选地，所述几何相位光学元件采用液晶微纳器件或介电超表面遵循偏振几何相位原理的二元光学元件制成。
可选地，所述傅里叶透镜为无像差透镜。
可选地，当入射至所述几何相位光学元件的光束为圆偏振光时，所述光轴取向空间分布函数通过二分之一波片对圆偏振态光束操作的琼斯矩阵计算获得。
本发明的光束传播质量因子测量装置包括采用本发明所述方法制成的几何相位光学元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及成像装置；入射光束依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述几何相位光学元件以及第三透镜，并入射至所述成像装置；所述第一透镜与所述第二透镜用于将入射光场的束腰调节至所述几何相位光学元件预设束腰附近，所述几何相位光学元件位于所述第三透镜的前焦面上，所述成像装置位于所述第三透镜的后焦面上。
可选地，所述几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)为：
其中，
为以光束传播方向为z方向的空间直角坐标系下的数字传播相位分布，λ为所述光束的波长，z'＝zλ2f2，f为与所述几何相位光学元件相配合使用的、且位于所述几何相位光学元件出射端的傅里叶透镜的焦距，i为虚数，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
可选地，所述几何相位光学元件采用液晶微纳器件或介电超表面遵循偏振几何相位原理的二元光学元件制成。
可选地，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为无像差透镜。
可选地，当入射至所述几何相位光学元件的光束为圆偏振光时，所述几何相位光学元件光轴取向空间分布函数通过二分之一波片对圆偏振态光束操作的琼斯矩阵计算获得。
本专利所提供的关键元件及装置能够精确层析光场结构的传播演化过程，实现光束质量的高精度测量，同时具备低成本的优点。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的几何相位光学元件制作方法的流程图；
图2是具体实施方式一中数字传播技术的实现方法示意图；
图3是具体实施方式一中光轴取向空间分布与几何相位空间分布，其中，(a)为光轴取向空间分布，(b)为几何相位空间分布；
图4是具体实施方式一中光束在不同传播距离下的层析结果；
图5是具体实施方式二所述的光束传播质量因子测量装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供了一种几何相位光学元件制作方法，包括如下步骤一至步骤五。
步骤一、将多个不同传播距离的数字传播相位分布分别写入多个光栅常数不同的正弦相位光栅，得到多个纯相位掩膜版。
以光束传播方向做为z轴正方向来建立空间直角坐标系，得到数字传播相位的数学形式如下：
式中，变量z即为数字传播技术所设置的传播距离，λ为光束的波长，i为虚数。
数字传播技术的实现方法如图2所示，从平面A到平面B的透镜傅里叶变换过程如公式(2)所示：
由公式(2)可知，在平面A处的光场u(x,y)上加载公式(1)所示的相位H(x,y,z)，并利用焦距位为f的无像差透镜进行傅里叶变换后，即可利用变量z在固定平面B上观测光场U(x',y',z')的传播演化过程，其中，z'＝zλ2f2。
如果上述几何相位光学元仅用于观察光场横向结构传播演化过程的层析结果，那么对正弦相位光栅的数量没有具体要求，只要光栅数量和光栅常数与所述的无像差透镜相匹配即可，
如果将几何相位光学元用于测量光束的M2，那么，为了满足ISO标准，正弦相位光栅的数量至少为5个。
步骤二、将所述多个纯相位掩膜版叠加，得到合成相位掩膜版。
以λ＝795nm、束腰宽度为1mm(束腰半径w＝0.5mm)的高斯光束为例，该高斯光束经过标准傅里叶变换后具有新的束腰半径wF＝1/(πw)与新的瑞丽距离，分别以新的瑞丽距离的0.2、0.4、0.6、0.8、2、2.5、3、以及3.5倍作为数字传播相位的变量z，即可由公式(1)获得相应的数字传播相位分布。将上述8个数字传播相位分布写入光栅常数不同的正弦相位光栅并叠加后，形成一个合成相位分布
其数学描述如式(3)所示：
式中，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
步骤三、将所述合成相位掩膜版进行相位深度压缩。
为获得最佳光栅衍射效率，将公式(3)所示相位掩膜的相位深度进行压缩，即可获得公式(4)所示的合成相位分布：
当高斯光束入射至具有公式(4)所示的合成相位分布的相位光栅后，即可在相位光栅的正一级衍射方向获得预设的数字传播相位分布(即合成相位分布)、在负一级衍射方向获得与预设传播距离反号的数字传播相位分布。
步骤四、以相位深度压缩后的合成相位掩膜版作为目标几何相位空间分布，获得几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数。
为实现对所述高斯光束加载公式(4)所示的空间几何相位，根据二分一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵可得到目标几何相位光学元件所需的光轴取向空间分布函数：
至此，便完成了目标几何相位光学元件(液晶基空间变取向波片)的设计，相应光轴取向空间分布与几何相位空间分布分别如图3(a)和图3(b)所示。
步骤五、按照所述几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数制作几何相位光学元件。这一步骤中，几何相位光学元件的基底可采用液晶微纳器件或介电超表面遵循偏振几何相位原理的二元光学元件。
当右旋高斯光束入射至所设计的几何相位光学元件时，可以在傅里叶透镜的后焦面观测到聚焦光束不同传播距离下的层析结果，层析结果如图4所示。图4中，入射光束为右旋圆偏振光，几何相位光学元件采用液晶基空间变取向波片制成。z0区域为光栅衍射的0级衍射位置，等价于数字传播距离z＝0的情况。z1至z8区域分别代表了8个正弦相位光栅各自的正一级衍射在傅里叶透镜后焦面上所处的位置，z1区域的光强分布为z0区域内光场经过自由衍射z'1＝z1λ2f2后的光场，z2区域的光强分布为z0区域内光场经过自由衍射z'2＝z2λ2f2后的光场，……，同时，z8区域的光强分布为z0区域内光场经过自由衍射z'8＝z8λ2f2后的光场；相应的，-z1至-z8区域即为z0虚线框内光场分别经自由衍射-z'1至-z'8后的光强分布。
具体实施方式二：如图5所示，本实施方式提供了一种光束传播质量因子测量装置，该装置是基于采用实施方式一所述的几何相位光学元件制作方法制作的几何相位光学元件，该装置包括上述几何相位光学元件3、第一透镜1、第二透镜2、第三透镜4以及成像装置5。入射光束依次穿过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述几何相位光学元件3以及第三透镜4，并入射至所述成像装置5。所述第一透镜1与所述第二透镜2构成透镜组，用于将入射光场的束腰调节至所述几何相位光学元件3的预设束腰附近，以满足ISO标准测量程序对测量位置的要求。所述几何相位光学元件3采用液晶基空间变取向波片制成，并且位于所述第三透镜4的前焦面上，所述成像装置5位于所述第三透镜4的后焦面上。上述装置中，第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4均采用无像差透镜。
几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)为：
其中，
为以光束传播方向为z方向的空间直角坐标系下的数字传播相位分布，λ为所述光束的波长，z'＝zλ2f2，f为与所述第三透镜4的焦距，i为虚数，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
采用上述装置对入射光束的M2进行测量，要求入射光束具有特定的偏振状态(例如左旋圆偏振光或右旋圆偏振光)，以满足几何相位元件的偏振需求。
下面以右旋圆偏振的入射光束为例来说明采用图5所示装置的测量原理。将右旋圆偏振的入射光束的光束宽度调节至几何相位光学元件的预设光束宽度附近后，入射所述几何相位光学元件，光场偏振状态被调制为左旋圆偏振，并加载了预设的几何相位空间分布H(x,y,z)，经第三透镜4完成傅里叶变换后，即可利用所述成像装置5在所述第三透镜4的后焦面上层析聚焦光场的传播演化过程。然后，即可按照ISO标准计算获得光束传播质量因子M2的测量值。
Claims (10)
1.一种几何相位光学元件制作方法，其特征在于，包括：
将多个不同传播距离的数字传播相位分布分别写入多个光栅常数不同的正弦相位光栅，得到多个纯相位掩膜版；
将所述多个纯相位掩膜版叠加，得到合成相位掩膜版；
将所述合成相位掩膜版进行相位深度压缩；
以相位深度压缩后的合成相位掩膜版作为目标几何相位空间分布，获得几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数；以及
按照所述几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数制作几何相位光学元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光轴取向空间分布函数β(x,y)为：
其中，
为以光束传播方向为z方向的空间直角坐标系下的数字传播相位分布，λ为所述光束的波长，z'＝zλ2f2，f为与所述几何相位光学元件相配合使用的、且位于所述几何相位光学元件出射端的傅里叶透镜的焦距，i为虚数，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述几何相位光学元件采用液晶微纳器件或介电超表面遵循偏振几何相位原理的二元光学元件制成。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述傅里叶透镜为无像差透镜。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当入射至所述几何相位光学元件的光束为圆偏振光时，所述光轴取向空间分布函数通过二分之一波片对圆偏振态光束操作的琼斯矩阵计算获得。
6.一种光束传播质量因子测量装置，其特征在于，包括采用权利要求1所述方法制成的几何相位光学元件、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及成像装置；
入射光束依次穿过所述第一透镜、所述第二透镜、所述几何相位光学元件以及第三透镜，并入射至所述成像装置；
所述第一透镜与所述第二透镜用于将入射光场的束腰调节至所述几何相位光学元件预设束腰附近，所述几何相位光学元件位于所述第三透镜的前焦面上，所述成像装置位于所述第三透镜的后焦面上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述几何相位光学元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)为：
其中，
为以光束传播方向为z方向的空间直角坐标系下的数字传播相位分布，λ为所述光束的波长，z'＝zλ2f2，f为与所述几何相位光学元件相配合使用的、且位于所述几何相位光学元件出射端的傅里叶透镜的焦距，i为虚数，aj和bj分别为第j个正弦相位光栅在水平方向和垂直方向的光栅常数。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述几何相位光学元件采用液晶微纳器件或介电超表面遵循偏振几何相位原理的二元光学元件制成。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均为无像差透镜。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当入射至所述几何相位光学元件的光束为圆偏振光时，所述几何相位光学元件光轴取向空间分布函数通过二分之一波片对圆偏振态光束操作的琼斯矩阵计算获得。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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