CN117434739A - 一种基于衍射光学元件的3d聚焦分束系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统及方法。本系统中通过衍射光学元件对激光进行相位调制，聚焦镜对经过相位调制的激光进行聚焦，并利用闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴处理后运用了闪耀光栅和等效聚焦镜的调制相位的叠加，确定整体衍射光学元件相位，实现了非垂直断面的快速加工。

Description

一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统及方法

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，特别涉及一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统及方法。

背景技术

随着超快激光光源越来越大的单脉冲能量和越来远大的总功率成为趋势，使得激光的材料加工有着更为宽广的应用，而在其中，衍射光学元件(DOE)扮演着至关重要的角色。例如，分束元件，将单束激光调制成多束激光进行多线程的同时加工；多焦点元件，在光轴上聚焦出多个焦点，方便加工更厚的透明材料；长焦深元件，将聚焦焦深拉长突破瑞利长度，在加工更厚的材料的同时，依然能保持光滑的加工断面。

然而，现有聚焦分束的系统主要是针对于垂直断面加工需求，而对于非垂直断面加工需求中，将单个聚焦焦点调制成沿所需断面分布的3D聚焦分束，以实现该种断面的快速加工，是亟需解决的问题。

发明内容

基于此，本申请实施例提供了一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统及方法，能够针对一些非垂直断面加工需求中，使用DOE将单个聚焦焦点调制成沿所需断面分布的3D聚焦分束，以实现该种断面的快速加工。

第一方面，提供了一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统，该系统包括：

激光光源，用于产生激光直射衍射光学元件；

衍射光学元件，用于对激光进行相位调制，通过聚焦镜对经过所述相位调制的激光进行聚焦，并利用闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴处理；

所述衍射光学元件的整体调制相位为：

其中，m表示分束聚焦点数量，j表示分束聚焦点编号，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，mod()为取余函数。

可选地，衍射光学元件实现f_Dj的聚焦所需的调制相位为：

其中，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数。

可选地，所述闪耀光栅的闪耀角ψ具体包括：

其中，n表示材料折射率，Δx_j表示离轴距离。

可选地，衍射光学元件所实现的闪耀光栅的调制相位为：

φ_gj(x,y)＝exp[ik(n-1)ψ*mod(x,d)]

其中mod()为取余函数，将闪耀角ψ和光栅周期d带入可得：

其中，n表示材料折射率，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，k表示波数，i表示复数。

可选地，衍射光学元件的第j个分束聚焦点的聚焦具体通过实现焦距f_Dj的聚焦所需的调制相位与实现闪耀光栅的调制相位相乘得到；

并将所有分束聚焦点对应的DOE相位进行级联相加得到衍射光学元件的整体调制相位。

可选地，衍射光学元件的第j个分束聚焦点的聚焦具体通过实现焦距f_Dj的聚焦所需的调制相位与实现闪耀光栅的调制相位相乘得到，具体表示为：

其中，m表示分束聚焦点数量，j表示分束聚焦点编号，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，mod()为取余函数。

第二方面，提供了一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束方法，该方法包括：

产生激光直射衍射光学元件；

确定衍射光学元件实现此焦距f_Dj的聚焦所需的第一调制相位；

确定闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴所需的第二调制相位；

根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位。

可选地，根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位，包括：

将第一调制相位和第二调制相位进行相乘得到当前分束聚焦点相位，并遍历各个分束聚焦点，并将各个分束聚焦点所对应的分束聚焦点相位进行级联相加得到整体调制相位。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：针对一些非垂直断面加工需求中，使用将单个聚焦焦点调制成沿所需断面分布的3D聚焦分束，以实现该种断面的快速加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1为本申请实施例提供的非垂直断面加工示意图；

图2为本申请实施例3D聚焦分束系统的系统原理图；

图3为本申请实施例中闪耀光栅的光路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本发明的描述中，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。

本发明针对一些非垂直断面加工需求中，使用衍射光学元件(DOE)将单个聚焦焦点调制成沿所需断面分布的3D聚焦分束，以实现该种断面的快速加工，如图1所示给出了非垂直断面加工示意图。

本发明将目标实现的3D聚焦分束的点阵，分解成在已有聚焦镜情况下，一系列单个的不同聚焦点的集合。显然，这些聚焦点大多数(除中间点外)为轴外聚焦点。为了实现这些个单个的聚焦点，本发明运用了闪耀光栅和等效聚焦镜的调制相位的叠加。而最终的DOE相位则是这实现一系列聚焦点的相位叠加。为了实现3D分束聚焦，本申请采用的系统原理图如图2所示。具体地：

系统包括：激光光源，用于产生激光直射衍射光学元件；衍射光学元件，用于对激光进行相位调制，通过聚焦镜对经过所述相位调制的激光进行聚焦，并利用闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴处理。

图2中聚焦镜的焦距是f。实现m个点的3D分束聚焦，这些分束聚焦点的中心显然是聚焦镜的焦点。因此，结合已有的聚焦镜，对于第j个分束聚焦点(j＝1，2，……，m)，可以有此中心焦点调制完成，之后将所有的m个焦点的调制相位求和，得出最终的DOE调制相位。

即衍射光学元件的整体调制相位为：

其中，m表示分束聚焦点数量，j表示分束聚焦点编号，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，mod()为取余函数。

具体地，对于第j个分束聚焦点，如图2所示，假设它的对用的轴上坐标f_j，且离轴距离为Δx_j，则如果希望得到这第j个分束焦点的聚焦效果，则可将其对应的DOE调制相位分解为以下两个步骤：

DOE需要有聚焦功能，假设该DOE实现聚焦的焦距为f_Dj，则f_Dj必须满足一下条件：

则：

为了实现此焦距f_Dj的聚焦，则需要DOE所需的调制相位是：

x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数。

DOE第二个需要实现的功能就是将轴上聚焦点进行偏移光轴的处理，在这里显然可以使用闪耀光栅进行调制实现。则问题变成了在已知离轴偏移量Δx_j和对应轴上焦点坐标f_j的情况下，求出对应闪耀光栅的调制相位。

通常表征一个闪耀光栅需要两个参数，光栅周期d和闪耀角ψ，如下图3闪耀光栅的光路图。其中假设DOE的材料折射率为n。首先，由几何对应关系，有：

再根据折射定律有：

θ+ψ＝n*ψ

由上述两个式子可以得出：

对于闪耀光栅，由其光栅方程可以得出：

d*sinθ＝λ

结合上式子，可近似为：

所以得出DOE所实现的闪耀光栅的调制相位为：

φ_gj(x,y)＝exp[ik(n-1)ψ*mod(x,d)]

其中mod()为取余函数，将ψ和d带入可得：

n表示材料折射率，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，k表示波数，i表示复数。

通过上述两个步骤可实现第j个分束聚焦点的聚焦，将两个步骤的相位相乘，就是该分束聚焦点对应的DOE调制相位，如下：

显然要一次性实现m个分束聚焦，则需要将这m个分束聚焦点对应的DOE相位进行级联相加即可，DOE的整体调制相位就是：

本申请实施例还提供的一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束方法。用于实施于上述3D聚焦分束系统中，方法具体包括：

产生激光直射衍射光学元件；

确定衍射光学元件实现此焦距f_Dj的聚焦所需的第一调制相位；

确定闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴所需的第二调制相位；

根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位。

具体地，根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位，包括：将第一调制相位和第二调制相位进行相乘得到当前分束聚焦点相位，并遍历各个分束聚焦点，并将各个分束聚焦点所对应的分束聚焦点相位进行级联相加得到整体调制相位。

本申请实施例提供的基于衍射光学元件的3D聚焦分束方法实现于上述基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统，关于基于衍射光学元件的3D聚焦分束方法的具体限定可以参见上文中对于基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统的限定，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束系统，其特征在于，所述系统包括：

激光光源，用于产生激光直射衍射光学元件；

衍射光学元件，用于对激光进行相位调制，通过聚焦镜对经过所述相位调制的激光进行聚焦，并利用闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴处理；

所述衍射光学元件的整体调制相位为：

其中，m表示分束聚焦点数量，j表示分束聚焦点编号，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，mod()为取余函数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，衍射光学元件实现f_Dj的聚焦所需的调制相位为：

其中，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述闪耀光栅的闪耀角ψ具体包括：

其中，n表示材料折射率，Δx_j表示离轴距离。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，衍射光学元件所实现的闪耀光栅的调制相位为：

φ_gj(x,y)＝exp[ik(n-1)ψ*mod(x,d)]

其中mod()为取余函数，将闪耀角ψ和光栅周期d带入可得：

其中，n表示材料折射率，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，k表示波数，i表示复数。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，衍射光学元件的第j个分束聚焦点的聚焦具体通过实现焦距f_Dj的聚焦所需的调制相位与实现闪耀光栅的调制相位相乘得到；

并将所有分束聚焦点对应的DOE相位进行级联相加得到衍射光学元件的整体调制相位。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，衍射光学元件的第j个分束聚焦点的聚焦具体通过实现焦距f_Dj的聚焦所需的调制相位与实现闪耀光栅的调制相位相乘得到，具体表示为：

其中，m表示分束聚焦点数量，j表示分束聚焦点编号，x，y表示聚焦镜焦点坐标，f_Dj表示衍射光学元件的焦距，k表示波数，i表示复数，Δx_j表示离轴距离，f_j表示第j个分束聚焦点轴上坐标，mod()为取余函数。

7.一种基于衍射光学元件的3D聚焦分束方法，其特征在于，实现于上述权利要求1-6任一项所述的系统中，所述方法包括：

产生激光直射衍射光学元件；

确定衍射光学元件实现此焦距f_Dj的聚焦所需的第一调制相位；

确定闪耀光栅将轴上聚焦点进行偏移光轴所需的第二调制相位；

根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据第一调制相位和第二调制相位确定出衍射光学元件整体调制相位，包括：

将第一调制相位和第二调制相位进行相乘得到当前分束聚焦点相位，并遍历各个分束聚焦点，并将各个分束聚焦点所对应的分束聚焦点相位进行级联相加得到整体调制相位。