CN117555157A - 基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，涉及光学技术领域，包括衍射光学元件和聚焦镜，衍射光学元件设置在聚焦镜入射面的一端作为相位调制面，衍射光学元件包括第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅，第二衍射光栅位于第一衍射光栅和第三衍射光栅中间，第一衍射光栅和第三衍射光栅为横向光栅，第二衍射光栅为若干个纵向并列排布的纵向光栅。本申请提供的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，设计自由度广，线斑长宽比可以根据实际需要进行调整，结构简单，体积小，系统轻巧，非常适用于激光微加工等高精尖激光应用当中。

Description

基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统。

背景技术

随着激光加工产业的快速发展，对激光的光束特性提出了越来越高的要求。然而，一些激光系统发出的初始激光往往具有高斯形态的能量截面分布，这意味着光束中心的能量密度较高，而周围的能量密度较低，形成了一个中间高、四周低的点光斑分布。在某些特殊的应用场景中(例如：激光微加工)，这种高斯光束的特性可能会不合适。

目前，将高斯光束变换为线型聚焦光斑的方案有如下几种：

1、鲍威尔棱镜：通过将高斯光束照射到鲍威尔棱镜的曲面中心棱脊，可以将光束在长方向上散开，形成一字型线型光斑。但是，这种方式产生的线型光斑一致性欠佳，很难用于精密的激光加工当中。

2、光阑法：其原理是利用孔径光阑将光束边缘部分“裁剪”掉，从而得到线型光斑。这种方式虽然简单，但是能量利用率太低。

3、柱透镜法：通过柱透镜和透镜的组合，改变他们之间的距离，实现一定长宽比的线型聚焦光斑。这种方法调制复杂且通常需要多个透镜组配合实现，系统体积较大。

4、微透镜阵列法：微透镜阵列法是利用用复眼透镜的微透镜将入射光分成若干个分光束，每个光束通过微透镜聚焦到目标面的不同位置，从容叠加结合形成想要的线型聚焦光斑。这种方法对元件加工工艺要求高，需要精准控制每个微透镜的曲率，矢量高度等工艺参数。

发明内容

为此，本申请提供一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，以解决现有技术存在的将高斯光束变换为线型聚焦光斑的方法一致性欠佳、能量利用率低、结构复杂以及加工工艺要求高的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，包括衍射光学元件和聚焦镜，所述衍射光学元件设置在所述聚焦镜入射面的一端作为相位调制面，所述衍射光学元件包括第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅，所述第二衍射光栅位于所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅中间，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅为横向光栅，所述第二衍射光栅为若干个纵向并列排布的纵向光栅。

作为优选，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅为达曼光栅。

作为优选，所述达曼光栅的凹凸比为1：1。

作为优选，所述达曼光栅的凹槽和凸峰对应的调制相位分别是0和π。

作为优选，所述第二衍射光栅为闪耀光栅。

作为优选，所述闪耀光栅由上至下的调制相位为：

其中，n为折射率，ψ为闪耀角，m为光束所在位置，d为光栅周期，y为纵向坐标，i为虚数，k＝2π/λ为波长，B为闪耀光栅的宽度，f为聚焦镜的焦距，mod(*)为取余函数。

作为优选，所述闪耀角ψ为：

其中，θ_m为出射角；

作为优选，所述线型聚焦光斑的横向直径为：

所述线型聚焦光斑的纵向直径为：

其中，M²为质量因子，λ为波长，A为所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅之间的距离。

相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：

本申请提供了一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，包括衍射光学元件和聚焦镜，衍射光学元件设置在聚焦镜入射面的一端作为相位调制面，衍射光学元件包括第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅，第二衍射光栅位于第一衍射光栅和第三衍射光栅中间，第一衍射光栅和第三衍射光栅为横向光栅，第二衍射光栅为若干个纵向并列排布的纵向光栅。本申请提供的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，设计自由度广，线斑长宽比可以根据实际需要进行调整，结构简单，体积小，系统轻巧，非常适用于激光微加工等高精尖激光应用当中。

附图说明

为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为现有的聚焦系统结构示意图；

图2为本申请提供的一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统结构示意图；

图3为本申请提供的衍射光学元件的调制相位分布示意图；

图4为本申请提供的衍射光学元件的第一衍射光栅和第三衍射光栅的调制相位分布示意图；

图5为本申请提供的达曼光栅目标场分布示意图；

图6为经过第一衍射光栅和第三衍射光栅调制后的光斑形状；

图7为本申请提供的衍射光学元件的第二衍射光栅调制相位分布示意图；

图8为闪耀光栅出射光出射位置示意图。

附图标记说明：

1、聚焦镜；2、高斯光束；3、聚焦圆光斑；4、衍射光学元件；5、聚焦线斑。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解而就大体的相对位置关系所作的指示，并非对实际产品中位置关系的绝对限定。

请参阅图1，对于一般聚焦系统，当直径为D，质量因子为M²，波长为λ的高斯光束2照射到焦距为f的聚焦镜1上时，在该聚焦镜1的焦平面上可以得到能量分布仍为高斯型的聚焦圆光斑3，该聚焦圆光斑3的尺寸大小Δ为：

根据式(1)可知，在入射光条件和聚焦镜参数一定的情况下，聚焦光斑的尺寸大小和入射光照射到聚焦镜的光斑大小成反比。

基于以上结论可知，可以通过改变照射到聚焦镜的光斑形状及大小来实现一定长宽比的线型聚焦光斑。为此，本申请提供了一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统。

请参阅图2，本申请提供的一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，包括聚焦镜1和衍射光学元件(DOE)4，衍射光学元件4设置在聚焦镜1入射面的一端作为相位调制面，衍射光学元件4包括第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅，第二衍射光栅位于第一衍射光栅和第三衍射光栅中间，第一衍射光栅和第三衍射光栅为横向光栅，第二衍射光栅为若干个纵向并列排布的纵向光栅。

具体的，假设入射光的光斑直径为D，波长为λ，聚焦镜1的焦距为f，则衍射光学元件4为相位调制面，调制相位分布如图3所示(图3中左①为第一衍射光栅，②为第二衍射光栅，右①为第三衍射光栅)，其中，第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅分别作用于入射光束，用于改变出射聚焦光斑的横向和纵向尺寸。下面分别介绍第一衍射光栅和第三衍射光栅以及第二衍射光栅的相位调制原理。

第一衍射光栅和第三衍射光栅的相位调制原理：

请参阅图4，本申请中第一衍射光栅和和第三衍射光栅调制的是光斑的横向尺寸(即横向直径)，因此，第一衍射光栅和和第三衍射光栅采用的是凹凸比为1：1的达曼光栅结构，凹凸(图4中黑白部分)对应的调制相位分别是0和π。

假设第一衍射光栅和第三衍射光栅之间的距离为A，则根据达曼光栅的成像特性，1：1凹凸比的达曼光栅，其目标场的分布如图5所示，其作用相当于一个横向的光阑，将高斯光束2的横向边缘衍射至非零级级次上，所得到的零级光束就是调制后的横向入射光束，形状如图6所示。

因此，其光斑的横向尺寸就是第一衍射光栅和第三衍射光栅之间的距离A，聚焦后的聚焦线斑5的横向尺寸为：

第二衍射光栅的相位调制原理：

第二衍射光栅负责将第一衍射光栅和第三衍射光栅“裁剪”过的光斑进行纵向压缩，其原理是采用DOE拟合闪耀光栅调制实现，其相位结构如图7所示。

第二衍射光栅将照射到第二衍射光栅区域的光束分割成若干个纵向并列排布的区域，区域宽度为B，数量为N。因此，为了实现在纵向的压缩，可以将这些并列排布区域的光通过各自区域的闪耀光栅出射到同一目标位置即可，具体为：

通常表征一个闪耀光栅需要两个核心参数：光栅周期d和闪耀角ψ。

请参阅图8，假设元件的折射率为n，由折射定律可知：

θ+ψ＝n*ψ (3)

为了实现精确的光束叠加作用，则第二衍射光栅由上到下的出射角为：

其中，m为光束在第二衍射光栅中的位置(m＝1，2，d，......，N)，则对应的第m个区域的闪耀光栅的闪耀角为：

则由上至下闪耀光栅的调制相位为：

其中，y为纵向坐标，i为虚数，k＝2π/λ为波长，mod(*)为取余函数。

经过第二衍射光栅调制后再经过聚焦镜1，得到的聚焦线斑5的纵向尺寸为：

综上可知，为了实现长宽比为A：B的线型聚焦光斑，可以在聚焦系统的聚焦镜之前加一个DOE，其结构可分为如上述讨论的两个部分，其中第一衍射光栅和第三衍射光栅为1：1凹凸比的达曼光栅，第一衍射光栅和第三衍射光栅相距为A；第二衍射光栅为宽度为B，数量为N的纵向排布的闪耀光栅结构的相位分布。

本申请提供的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，设计自由度广，线斑长宽比可以根据实际需要进行调整，结构简单，体积小，系统轻巧，非常适用于激光微加工等高精尖激光应用当中。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，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；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (8)

1.一种基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，包括衍射光学元件和聚焦镜，所述衍射光学元件设置在所述聚焦镜入射面的一端作为相位调制面，所述衍射光学元件包括第一衍射光栅、第二衍射光栅和第三衍射光栅，所述第二衍射光栅位于所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅中间，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅为横向光栅，所述第二衍射光栅为若干个纵向并列排布的纵向光栅。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅为达曼光栅。

3.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述达曼光栅的凹凸比为1：1。

4.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述达曼光栅的凹槽和凸峰对应的调制相位分别是0和π。

5.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述第二衍射光栅为闪耀光栅。

6.根据权利要求5所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述闪耀光栅由上至下的调制相位为：

其中，n为折射率，ψ为闪耀角，m为光束所在位置，d为光栅周期，y为纵向坐标，i为虚数，k＝2π/λ为波长，B为闪耀光栅的宽度，f为聚焦镜的焦距，mod(*)为取余函数。

7.根据权利要求6所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述闪耀角ψ为：

其中，θ_m为出射角；

8.根据权利要求7所述的基于衍射光学元件的线型聚焦光斑发生系统，其特征在于，所述线型聚焦光斑的横向直径为：

所述线型聚焦光斑的纵向直径为：

其中，M²为质量因子，λ为波长，A为所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅之间的距离。