一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种宽谱光整形器，尤其涉及一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器设计及其制备方法。宽谱光整形器包括平行间隔设置的第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，方格阵列中的各方格单元呈高低起伏的浮雕状结构，所述第一衍射光学元件上的方格阵列被设置为当光束穿过方格阵列时能够聚焦在第二衍射光学元件的方格阵列区域内。本发明专利技术通过采用不同窗口面积的衍射光学元件级联的方式，解决了衍射光学元件无法有效对宽谱光进行整形的问题，而且本方案中衍射光学元件表面浮雕最大高度差较小，工艺难度较低。另外，元件材料均采取常用的光学玻璃材料，易于获得、成本低廉，具有较高的商用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器及其制备方法
本专利技术涉及一种宽谱光整形器，尤其涉及一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器设计及其制备方法。
技术介绍
光束整形器是通过光学系统将能量呈高斯分布的入射光变换为能量均匀分布的平顶光且光斑形状也需根据要求变换。光束整形技术有孔径光阑整形、衍射光学元件整形、非球面透镜整形等等。采用衍射光学元件是实现光束整形的有效方法，与其他技术相比，它具有能量利用率高、耐高温、光束易于控制、结构紧凑等优点，特别适合工程应用。衍射光学是基于光学衍射原理和利用计算机产生全息图和相息图以及微电子加工技术而发展起来的一个新的光学分支。衍射光学元件能够同时实现几种光学功能，从而实现光学元件的微型阵列化与集成化。衍射光学元件通常是在光学材料基片的薄层表面上刻蚀出特定深浅不一的花样。当光束投射到元件上时，透射光或发射光的波前相位受到调制，从而实现各种光学功能。由于衍射光学元件通过表面各处不同的材料厚度引起光程差来调制相位，因此元件设计非常依赖工作波长，传统的整形器设计只能针对单个波长，而对宽谱光整形效果很差，光斑不均匀且易出现明显旁瓣。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决衍射光学元件对宽谱光的整形问题，提出了一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器，用于将能量呈高斯分布的宽谱入射光变换为能量均匀分布的平顶光，包括平行间隔设置的第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，其中第一衍射光学元件所在的一端为光束入射端，第二衍射光学元件所在的一端为光束出射端，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件均为表面具有方格阵列的光学玻璃，方格阵列中的各方格单元呈高低起伏的浮雕状结构，所述第一衍射光学元件上的方格阵列被设置为当光束穿过方格阵列时能够聚焦在第二衍射光学元件的方格阵列区域内，第一衍射光学元件和第二衍射光学元件的各方格单元的高度是计算机软件根据入射光参数和所需的出射光的参数模拟计算得到的。优选的，衍射光学元件上的方格阵列区域半径是第二衍射光学元件上的方格阵列区域半径的两倍。优选的，衍射光学元件与第二衍射光学元件之间设有一锥筒状镜筒，其中第一衍射光学元件安装在镜筒的大径端，第二衍射光学元件安装在镜筒的小径端。一种所述宽谱光整形器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：根据要求的光斑位置、光斑尺寸设计第一、第二衍射光学元件的表面浮雕高度分布，方法是通过迭代算法，逐步递进至最优解；步骤2：用得到的计算结果加工紫外光刻掩膜；步骤3：采用紫外套刻的方式在光学玻璃上制作高低不平的浮雕结构。本专利技术的技术效果在于：本专利技术通过采用不同窗口面积的衍射光学元件级联的方式，解决了衍射光学元件无法有效对宽谱光进行整形的问题，而且本方案中衍射光学元件表面浮雕最大高度差较小，工艺难度较低。另外，元件材料均采取常用的光学玻璃材料，易于获得、成本低廉，具有较高的商用价值。附图说明图1是本专利技术侧视图；图2是本专利技术中衍射光学元件侧视图；图3是本专利技术中衍射光学元件俯视图以及元件表面细节；图4是衍射光学元件表面浮雕高度算法示意图；图5是目标面光斑分布图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术进行详细的描述。在本专利技术的描述中，需要说明的是，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。实施例1如图1-3所示，一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器，用于将能量呈高斯分布的宽谱入射光变换为能量均匀分布的平顶光，包括平行间隔设置的第一衍射光学元件1和第二衍射光学元件2，其中第一衍射光学元件1所在的一端为光束入射端，第二衍射光学元件2所在的一端为光束出射端，所述第一衍射光学元件1和第二衍射光学元件2均为表面具有方格阵列4的光学玻璃，方格阵列4中的各方格单元5呈高低起伏的浮雕状结构，所述第一衍射光学元件1上的方格阵列4被设置为当光束穿过方格阵列4时能够聚焦在第二衍射光学元件2的方格阵列4区域内，第一衍射光学元件1和第二衍射光学元件2的各方格单元5的高度是计算机软件根据入射光参数和所需的出射光的参数模拟计算得到的。优选的，所述第一衍射光学元件1上的方格阵列4区域半径是第二衍射光学元件2上的方格阵列4区域半径的两倍。进一步的，所述第一衍射光学元件1与第二衍射光学元件2之间设有一锥筒状镜筒3，其中第一衍射光学元件1安装在镜筒3的大径端，第二衍射光学元件2安装在镜筒3的小径端。本实施例中，入射光束为宽谱光，波长范围500nm～600nm，能量分布为高斯分布，要求经过整形器后在第二衍射光学元件2后100mm处会聚成边长1.2mm的方形光斑。第一、第二衍射光学元件1、2共轴放置，两者圆心均在光轴上，间距为50mm。第一、第二衍射光学元件1、2均为BK7玻璃圆片，其中第一衍射光学元件1直径为12mm，有效调制窗口(即有浮雕图案区域)直径为10mm；第二衍射光学元件2直径为7mm，有效调制窗口直径为5mm。第一、第二衍射光学元件1、2有效调制窗口内为面积相同但是高度不同的方形浮雕分布，方形浮雕边长均为5μm。采用迭代算法，用计算机求出第一、第二衍射光学元件1、2表面有效调制窗口内的浮雕高度分布情况。浮雕高度算法如图4所示，计算结果显示浮雕最大高度差约为4μm。宽谱光从第一衍射光学元件1所在的一端平行入射，经过两个衍射光学元件调制后，在第二衍射光学元件2后侧100mm处会聚成边长1.2mm方斑。衍射光学元件在调制多波长光时会出现波长竞争的情况，输出光斑的均匀性和衍射效率呈现周期分布，周期为10nm，因此可用550nm～560nm的光斑分布情况代替入射光100nm全谱段情况。图5是会聚点宽谱光整形情况，可以看到虽然入射光波长在550nm到560nm之间变化，但是目标面上光斑分布呈规则方形且亮度均匀。实施例2一种实施例1所述宽谱光整形器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：根据要求的光斑位置、光斑尺寸设计第一、第二衍射光学元件1、2和的表面浮雕高度分布，方法是通过迭代算法，逐步递进至最优解；具体的计算过程如下：1)设定两个衍射光学元件表面浮雕高度初始值，初始值可采用归一的随机数；2)将入射光叠加两个衍射光学元件表面浮雕高度的相位变化后进行傅里叶变换，计算目标面的光场分布；3)计算目标面光场分布的强度均方根，并与事先设定的基准值作比较，当计算的均方根小于等于基准值时，计算结束，记录此时两个衍射光学元件表面浮雕高度；当计算的均方根大于基准值时，以此时目标面光场分布反推入射光场分布，并与原入射光场加权平均后，重复步骤2，再进行目标面光场分布的均方根判定。步骤2：用得到的计算结果加工紫外光刻掩膜；步骤3：采用紫外套刻的方式在光学玻璃上制作高低不平的浮雕结构。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器，用于将能量呈高斯分布的宽谱入射光变换为能量均匀分布的平顶光，其特征在于：包括平行间隔设置的第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)，其中第一衍射光学元件(1)所在的一端为光束入射端，第二衍射光学元件(2)所在的一端为光束出射端，所述第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)均为表面具有方格阵列(4)的光学玻璃，方格阵列(4)中的各方格单元(5)呈高低起伏的浮雕状结构，所述第一衍射光学元件(1)上的方格阵列(4)被设置为当光束穿过方格阵列(4)时能够聚焦在第二衍射光学元件(2)的方格阵列(4)区域内，第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)的各方格单元(5)的高度是计算机软件根据入射光参数和所需的出射光的参数模拟计算得到的。

【技术特征摘要】
1.一种基于级联衍射光学元件的宽谱光整形器，用于将能量呈高斯分布的宽谱入射光变换为能量均匀分布的平顶光，其特征在于：包括平行间隔设置的第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)，其中第一衍射光学元件(1)所在的一端为光束入射端，第二衍射光学元件(2)所在的一端为光束出射端，所述第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)均为表面具有方格阵列(4)的光学玻璃，方格阵列(4)中的各方格单元(5)呈高低起伏的浮雕状结构，所述第一衍射光学元件(1)上的方格阵列(4)被设置为当光束穿过方格阵列(4)时能够聚焦在第二衍射光学元件(2)的方格阵列(4)区域内，第一衍射光学元件(1)和第二衍射光学元件(2)的各方格单元(5)的高度是计算机软件根据入射光参数和所需的出射光的参数模拟计算得到的。2.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁立，曹国威，郭进，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34