CN217281623U - 激光匀化系统及具有其的激光系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及超透镜的应用领域，具体地，本公开涉及激光匀化系统及具有其的激光系统。该激光匀化系统包括：准直光学装置，在光路上，设置在激光光源的下游，用以对激光准直；至少一个第一超透镜阵列部件，在光路上，设置在准直透镜的下游，用以将准直的激光转化为多个子光束；聚焦光学装置，在光路上，设置在超透镜阵列组件的下游，用以对多个子光束聚焦，其中，超透镜阵列包括多个超表面单元，超表面单元针对激光光源的发射波段设计。本实用新型激光匀化系统，通过超透镜阵列可提高光斑的均匀性，超透镜阵列具有成本低廉，轻薄的特点，使匀化系统更加灵活。

Description

激光匀化系统及具有其的激光系统

技术领域

本公开涉及超透镜的应用领域，具体地，本公开涉及激光匀化系统及具有其的激光系统。

背景技术

在激光焊接、激光加工及医学等方面，光能量不均匀会导致局部温度过高而破坏材料性能，影响光与物质相互作用的效果。由于光束具有高斯型能量分布特性，因此，需要对光束进行匀化。

例如，现有的激光美容仪利用激光瞬间发射高能量有效击碎病变组织里的色素。可有效治疗混合色料形成的外源性色素沉着及内源性色素病变。通常对于激光美容仪的激光均匀性具有高的要求，所以往往需要对其进行匀化，以使射向患处的激光能够形成均匀的光斑。

现有的激光匀化方式大多是采用匀光元件来匀光，具体地，匀光元件大多包括光学积分棒、微透镜阵列或自由曲面镜等。通过匀光元件虽能实现匀光但是也存在着不足之处，例如，使用光学积分棒时，光学积分棒自身的体积较大，且长度越长激光的损耗越高；微透镜阵列的模板成本高，加工微透镜阵列模板时，影响微透镜阵列均匀性的因素较多；自由曲面镜往往针对一个光源进行加工，加工难，造价高。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的激光匀化系统及具有其的激光系统解决了上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

在一种方式中提供一种激光匀化系统包括：

准直光学装置，在光路上，设置在激光光源的下游，用以对激光准直；

至少一个第一超透镜阵列部件，在光路上，设置在准直透镜的下游，用以将准直的激光转化为多个子光束；

聚焦光学装置，在光路上，设置在超透镜阵列组件的下游，用以对多个子光束聚焦，其中，

超透镜阵列包括多个超表面单元，超表面单元针对激光光源的发射波段设计。

在可实施的一种方式中，准直光学装置和/或聚焦光学装置为凸透镜。

在可实施的一种方式中，激光匀化系统还包括第二超透镜阵列部件，其设置在第一超透镜阵列部件下游，并且，第二超透镜阵列部件包括多个超表面单元。

在可实施的一种方式中，第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件相同，其中，第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件的间距等于超表面单元的焦距。

在可实施的一种方式中，第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件不同，且第二超透镜阵列部件的超表面单元的焦距大于第一超透镜阵列部件中超表面单元的焦距，第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件间距为第二超透镜阵列部件的超表面单元的焦距。

在可实施的一种方式中，第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件通过晶圆级封装组合。

在可实施的一种方式中，准直光学装置为准直超透镜，聚焦光学装置为聚焦超透镜。

在可实施的一种方式中，准直光学装置和聚焦光学装置均由超透镜构成的情况下，与所述第一超透镜阵列部件通过晶圆级封装组合。

在可实施的一种方式中，超表面单元包括基底以及设置在基底上阵列排布的超表面结构单元，其中，超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。

在可实施的一种方式中，纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；其中，

偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱，偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。

在可实施的一种方式中，相邻两个纳米结构之间填充有填充层，填充层包括与纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。

本实用新型在另一种方式中提供一种激光系统，其特征在于，包括：

激光器；

探头，其内设有如上述的激光匀化系统；

光纤，其输入端与激光美容仪主体连接，输出端与探头连接。

在可实施的一种方式中，激光器为皮秒激光器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种激光匀化系统，通过第一超透镜阵列部件将准直后的激光转化为多个子光束，多个子光束经聚焦光学装置聚焦在焦面上，形成均匀的光斑，第一超透镜阵列部件可以依据激光光源的发射波段设计，进行批量加工，成本低廉，此外，由于超透镜阵列部件轻薄的特点，可降低激光匀化系统的整体体积，使得激光匀化系统应用更加广泛，使用更加灵活。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是本实用新型一种激光匀化系统的示意图；

图2是本实用新型一种激光匀化系统的准直光学装置和聚焦光学装置均为超透镜的情况下的示意图；

图3A是超表面结构单元为正六边形的示意图；

图3B是超表面结构单元为正方形的示意图；

图3C是纳米结构中纳米柱示意图；

图3D是纳米结构中纳米鳍示意图；

图4是本实用新型一种激光匀化系统的第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件间隔的距离为第一超透镜焦距时的示意图；

图5是本实用新型一种激光匀化系统的第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件间隔的距离大于第一超透镜焦距时，以第二超透镜的焦距作为第一超透镜阵列部件和第二超透镜阵列部件之间间隔距离的示意图；

图6是图5中的准直光学装置和聚焦光学装置均为超透镜的情况下的示意图；

图7是本实用新型的一种皮秒激设备的实施例的示意图，其中，超透镜阵列为一列；

图8是本实用新型的一种皮秒激设备的实施例的示意图，其中，超透镜阵列为两列。

附图标记：

1、激光光源；2、准直光学装置；3、第一超透镜阵列部件；4、第二超透镜阵列部件；5、聚焦光学装置；

6、纳米结构；61、基底；62、填充层；63、纳米鳍；64、纳米椭圆柱；

7、皮秒激光器主体；8、光纤；9、探头。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图8，一种激光匀化系统包括准直光学装置2、至少一个第一超透镜阵列部件3和聚焦光学装置5。

如图1和图2所示，其中，准直光学装置2，在光路上，设置在激光光源1的下游，用以对激光光源1发出的激光准直，进一步地，准直光学装置2的一倍焦距的位置设置有激光光源1。

优选地，准直光学装置2可以选取准直凸透镜或准直超透镜等。

在光路上，第一超透镜阵列部件3设置在准直光学装置2的下游，用以将准直的激光转化为多个子光束，优选地，第一超透镜阵列部件3可以包括多个超表面单元，多个超表面单元可阵列排布，其中，每个超表面单元针对激光光源1的发射波段设计，具体地，通过超表面单元可调控光的相位、幅度和偏振等特性从而改变激光的传播方向，形成子光束。可以理解的是，第一超透镜阵列部件3的数量可以根据实际的需要设定。

其中，超表面单元包括基底61以及设置在基底61上阵列排布的超表面结构单元。阵列排布的超表面结构单元可为一层亚波长的人工纳米结构膜，通过阵列排布的超表面结构单元来调制入射光。亚波长结构是指特征尺寸与工作波长相当(或略大于)或更小的结构，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性，通常为纳米量级(例如几十到几百纳米)。

当工作波段是可见光或近红外时，基底材料可选用熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石等可见光透明材料。

超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。

多个超表面结构单元根据需要可采用相同的结构、采用不相同的结构或部分采用不相同的结构。

图3A和图3B超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构6。应当理解地是，在其他实施例中，超表面结构单元也可以设计为其他密堆积形或者扇形结构。还应当理解地是，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构6的缺失，使其不满足完整的六边形或正方形。

当工作波段是可见光或近红外时，纳米结构6的材料可以选氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。应当理解的，纳米柱的材质除上述优选的材料外也可以为的其它符合本专利对纳米结构要求的材料。纳米结构6在可见光波段具有高透过率。

纳米结构6可为偏振相关的结构，如纳米鳍63和纳米椭圆柱64等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构6也可以是偏正无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

图3C和图3D可以理解地是，纳米结构6还可包括纳米圆锥、纳米椭圆锥、纳米棱锥、纳米棱柱、纳米圆锥、纳米椭圆锥、纳米棱锥、纳米圆台、纳米椭圆台或纳米棱台中的一种或多种及多种的组合。

需要说明地是，纳米结构6在不同波长下所需的相位，可在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构。

相邻纳米结构6之间、纳米结构6与基底61之间和/或纳米结构6顶部，可以以空气为间隔，也可填充有填充层62，起到保护纳米结构6的目的。

具体地，填充层62包括与纳米结构6的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。例如，填充层62可选氧化铝。

在光路上，聚焦光学装置5设置在第一超透镜阵列部件3的下游，用以对多个子光束聚焦，聚焦光学装置5与第一超透镜阵列部件3的距离大于第一超透镜阵列部件3中每个超透镜的一倍焦距。优选地，聚焦光学装置5可以选取能够聚焦光学透镜，例如，聚焦光学装置5为聚焦凸透镜或聚焦超透镜等。

本实施例中，准直光学装置2出射的激光照射在第一超透镜阵列部件3的情况下，将准直的激光转化为多个子光束，多个子光束沿光轴射向聚焦光学装置5，聚焦光学装置5再将射向其的多个子光束聚焦在焦面，形成均匀的光斑。不仅提高激光匀化系统的精准度，还可以减少激光匀化系统的体积。批量化的超透镜生产，能够降低了激光匀化系统的生产成本。

如图4至图6所示，在其中一个实施例中，激光匀化系统还包括至少一个第二超透镜阵列部件4，第二超透镜阵列部件4设置在第一超透镜阵列部件3下游，以与第一超透镜阵列部件3构成双列超透镜阵列以将入射光束分成大量细光束，并且，第二超透镜阵列部件4包括多个超表面单元。其中，第一超透镜阵列部件3与第二超透镜阵列部件4间隔一定距离。由第一超透镜阵列部件3与第二超透镜阵列部件4所组成的双透镜阵列能够提高激光的均化效果。

需要说明地是，第二超透镜阵列部件4的超表面单元的结构可以按照第一超透镜阵列部件3的超表面单元的结构来构造，即同样包括基底61以及设置在基底61上阵列排布的超表面结构单元。

需要说明的是，第二超透镜阵列部件4可以根据实际的匀化需要，设置第三超透镜阵列部件和第四超透镜阵列部件等，本实用新型对超透镜阵列部件的数量并不加以限定。

还需要说明的是，第一超透镜阵列部件3和第二超透镜阵列部件4的超透镜可以参数相同地构成，也可以参数不同地构成。

具体地，第一超透镜阵列部件3包括多个第一超透镜，第二超透镜阵列部件4包括多个第二超透镜，其中，每个第一超透镜与每个第二超透镜分别光学对应地设置。具体而言，“光学对应”在本申请中理解为：对于第一超透镜阵列部件3中任一的第一超透镜而言，在第二超透镜阵列部件4中均有与该第一超透镜正对的第二超透镜，从而通过这两个光学对应设置的超透镜形成光通道，该光通道作为分割光束的一个单元。

这样，经准直光学装置2准直后的光入射到光通道时，通过第一列超透镜阵列3分割为若干子光束，每个子光束与超透镜阵列中的超透镜孔径相对应，这些子光束经第一超透镜聚焦至对应的第二超透镜孔径上并通过第二超透镜后入射到聚焦透镜，从而完成在各自光通道内的传输。

在本实施方式中，所有的子光束通过聚焦透镜后将在后焦面重合，每个子光束范围内的微小不均匀性将在重合的过程被平滑从而获得均匀光斑。

进一步需要说明地是，第一超透镜阵列部件3与第二超透镜阵列部件4的间距、即光通道的长度f须以如下方式来选择：

如图4所示，第一种情况，在光通道的第一超透镜与第二超透镜的参数完全相同的情况下，则光通道的长度f等于超透镜的焦距。如图5所示，第二种情况，在光通道的第一超透镜的焦距f1与第二超透镜的焦距f2不相等时，其中第二超透镜的焦距f2大于第一超透镜的焦距f1，则光通道的长度等于第二超透镜阵列部件4中第二超透镜的焦距f2。在此，当第二超透镜的焦距大于第一超透镜的焦距时，可使得激光匀化系统的设计具有较高的自由度。优选地，第一超透镜阵列部件3和第二超透镜阵列部件4通过晶圆级封装组合，例如，可以在一片晶圆上加工第一超透镜阵列部件3，另一片晶圆上加工第二超透镜阵列部件4，再将两片晶圆键合，然后切割出所需大小或所需形状，形成晶圆级封装。

在采用普通光学装置的情况下，在实践中，通常无法将各个透镜高精度对准，或者这种对准需要付出高额的耗费才可实现。而由于半导体工艺中所采用的高精度的对准方法和设备，这种高精度的对准在半导体工艺中可以非常容易地达到，所以通过对超透镜部件进行晶圆级封装，可以简单地实现高精度的对准。

可以理解地是，准直光学装置2和/或聚焦光学装置5可以通过相应的超透镜来实现。在一个优选的实施方式中，当准直光学装置2和聚焦光学装置5均通过超透镜来实现的情况下，可以将准直光学装置2、第一超透镜阵列部件3、第二超透镜阵列部件4(如果存在的话)和聚焦光学装置5通过晶圆级封装组合在一起。

本申请的另一个实施例还提供了一种激光系统，包括：

激光器，作为激光光源，用以发射激光；

探头，其内设有根据本申请的激光匀化系统；

光纤，用于传输激光信号，其输入端与激光美容仪主体连接，输出端与探头连接。

具体而言，在本实施例中，激光器构成为皮秒激光器，其中皮秒激光器发射波长为755nm的皮秒激光。

在医美领域，皮秒激光是一种常用的设备，拥有强大的祛斑焕肤功能，以准确能量直接击褪黑色素，并改善肌肤、实现面部年轻化。出射激光的均匀性直接影响美容效果。

通过将根据本申请的匀化系统集成到皮秒激光系统中，由于其出色的光匀化作用，可以实现出射激光的高度均匀化，显著地改进了美容效果。

工作方式：

皮秒激光器7发出激光信号，激光信号经光纤8传输至探头9，激光信号经过探头，具体地依次经过准直超透镜、超透镜阵列和聚焦超透镜，各透镜的具体作用分别为：

准直超透镜，对激光信号进行准直。

超透镜阵列，对激光信号进行分割，分割成若干激光信号束。其中，超透镜阵列可以根据实际的工作需要设置数量，例如，如图7可以设置一个超透镜阵列，亦可以如图8根据需要设置两个超透镜阵列，选用超透镜阵列的数量可以根据具体的情况选择。

聚焦超透镜，对超透镜阵列出射的激光信号束聚焦，聚焦在患者的患处。

本实施例中，可以利用超透镜阵列将激光信号转化为若干激光信号束，再将激光信号束聚焦在患者患处，形成均匀的光斑，提高激光在焦面光斑的均匀性，提高美容效果，由于超透镜具有体积小，轻薄的特点，可以将探头设计的更加小巧，使用时更加的方便。

综上所述，本实施例提供的一种激光匀化系统，利用超透镜阵列部件对激光进行分割，将激光分割成多个子光束，再对多个子光束进行聚焦，超透镜阵列部件所包括的超透镜能够有效的避免出现高斯分布的情况。超透镜阵列部件可以依据激光光源的发射波段设计，进行批量加工，成本低廉，此外，由于超透镜阵列部件轻薄的特点，可降低激光匀化系统的整体体积，使得激光匀化系统应用更加广泛，使用更加灵活。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种激光匀化系统，其特征在于，包括：

准直光学装置，在光路上，设置在激光光源的下游，用以对激光准直；

至少一个第一超透镜阵列部件，在光路上，设置在准直透镜的下游，用以将准直的激光转化为多个子光束；

聚焦光学装置，在光路上，设置在所述超透镜阵列组件的下游，用以对所述多个子光束聚焦，其中，

所述超透镜阵列包括多个超表面单元，所述超表面单元针对所述激光光源的发射波段设计。

2.根据权利要求1所述的激光匀化系统，其特征在于，所述准直光学装置和/或所述聚焦光学装置为凸透镜。

3.根据权利要求1所述的激光匀化系统，其特征在于，所述激光匀化系统还包括第二超透镜阵列部件，其设置在所述第一超透镜阵列部件下游，并且，所述第二超透镜阵列部件包括多个超表面单元。

4.根据权利要求3所述的激光匀化系统，其特征在于，所述第一超透镜阵列部件和所述第二超透镜阵列部件相同，其中，所述第一超透镜阵列部件和所述第二超透镜阵列部件的间距等于所述超表面单元的焦距。

5.根据权利要求3所述的激光匀化系统，其特征在于，所述第一超透镜阵列部件和所述第二超透镜阵列部件不同，且所述第二超透镜阵列部件的超表面单元的焦距大于所述第一超透镜阵列部件中超表面单元的焦距，所述第一超透镜阵列部件和所述第二超透镜阵列部件间距为所述第二超透镜阵列部件的超表面单元的焦距。

6.根据权利要求3所述的激光匀化系统，其特征在于，所述第一超透镜阵列部件和所述第二超透镜阵列部件通过晶圆级封装组合。

7.根据权利要求1所述的激光匀化系统，其特征在于，所述准直光学装置为准直超透镜，所述聚焦光学装置为聚焦超透镜。

8.根据权利要求1所述的激光匀化系统，其特征在于，所述准直光学装置和所述聚焦光学装置均由超透镜构成的情况下，与所述第一超透镜阵列部件通过晶圆级封装组合。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光匀化系统，其特征在于，所述超表面单元包括基底以及设置在所述基底上阵列排布的超表面结构单元，其中，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个所述超表面结构单元的中心位置，或者每个所述超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。

10.根据权利要求9所述的激光匀化系统，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；其中，

所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱，所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。

11.根据权利要求9所述的激光匀化系统，其特征在于，相邻两个所述纳米结构之间填充有填充层，所述填充层包括与所述纳米结构的折射率差值的绝对值大于等于0.5的透明或半透明填充材料。

12.一种激光系统，其特征在于，包括：

激光器；

探头，其内设有如权利要求1至11中任一项所述的激光匀化系统；

光纤，其输入端与所述激光美容仪主体连接，输出端与所述探头连接。

13.根据权利要求12所述的激光系统，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器。

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