(一)本發(fā)明涉及激光光束整形領(lǐng)域，具體涉及的是一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，具有在較寬的帶寬情況下保持高效率的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于包括激光加工、醫(yī)學(xué)診斷、通信和光學(xué)成像等各個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

0、(二)背景技術(shù)

1、在光學(xué)領(lǐng)域，高斯光束是一種經(jīng)典的激光束模式，其橫截面呈高斯分布，中央光強(qiáng)較高，邊緣光強(qiáng)較低，導(dǎo)致能量分布不均勻，在某些應(yīng)用場(chǎng)景中并不理想，尤其是在需要均勻光照分布的場(chǎng)景，如激光加工、醫(yī)學(xué)診斷、通信和光學(xué)成像等，圓形光斑高斯光束的局限性就顯得尤為突出；矩形光斑平頂光束能量分布均勻，它在進(jìn)行激光加工時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更精確和高效的切割和焊接；與圓形光斑高斯光束相比，矩形光斑平頂光束能夠減少加工過程中的熱影響和局部溫度升高對(duì)材料的損傷；因此，將圓形光斑高斯光束轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)分布均勻的矩形光斑平頂光束具有十分重要的研究意義。

2、目前，已有多種光束整形技術(shù)被提出和應(yīng)用，如透鏡組、反射鏡、光纖陣列等，這些技術(shù)在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)光束整形，但仍存在諸多不足，例如，透鏡組和反射鏡系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，不利于系統(tǒng)集成和便攜性；光纖陣列雖能實(shí)現(xiàn)光束的均勻化，但存在光能量損失大、光路調(diào)整困難等問題；超表面是一種具有亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的人工光學(xué)界面，通過精確調(diào)控光波與微納結(jié)構(gòu)的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)一系列傳統(tǒng)光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的功能；與傳統(tǒng)的光學(xué)元件相比，超表面具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，為光束整形技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

0、(三)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的光束整形器件尺寸較大、不易于集成化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光能損失大、整形效果有限以及應(yīng)用范圍受限等問題，本發(fā)明提供了一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面；其目的在于通過超表面的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效、精確的光束整形，將高斯光束轉(zhuǎn)換為具有均勻光強(qiáng)分布和矩形截面形狀的平頂光束；本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、設(shè)計(jì)靈活且性能穩(wěn)定的光束整形系統(tǒng)，減小光束整形器件的體積和厚度，簡(jiǎn)化光束整形裝置，提高其相位調(diào)控精度，以滿足不同領(lǐng)域?qū)馐螤詈唾|(zhì)量的需求，提高激光加工、顯示技術(shù)、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用效果和性能。

2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、展示的是一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征是：從下向上依次為底層沿x軸周期性排列的金屬光柵(1)，介電間隔層(2)，中間圓形開口環(huán)的金屬層(3)，介電間隔層(4)以及頂層沿y軸周期性排列的金屬光柵(5)，各層之間緊密貼合；所設(shè)計(jì)的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面周期p均為100μm，底層和頂層呈正交排列的金屬光柵的厚度t均為0.2μm；介電間隔層(2)和介電間隔層(4)的介電常數(shù)ε均為3.0，厚度h＝50μm；中間金屬層：?jiǎn)伍_口或雙開口的金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)的內(nèi)徑r1為41μm，外徑r2為49μm。

4、更進(jìn)一步地，所述的超表面由單元結(jié)構(gòu)組成，通過單元結(jié)構(gòu)的種類、尺寸和排布以改變超表面的相位分布，其相位變化范圍在0-2π內(nèi)。

5、更進(jìn)一步地，所述的介電間隔層的材料為f4b,所述的金屬材料為金或銅。

6、更進(jìn)一步地，所述的高斯光束為：

7、e(r)＝e(0)·exp[-(r/w1)^2]

8、其中，e(r)為所述高斯光束的電場(chǎng)強(qiáng)度振幅分布，w1為高斯光束在超表面輸入處的半徑，r為徑向距離。

9、更進(jìn)一步地，所述的目標(biāo)平頂光束用超高斯函數(shù)表示為：

10、e(r)＝e(0)·exp[-(r/w2)^q]

11、其中，w2為平頂光束半徑，q為超高斯函數(shù)階數(shù)，q越高輪廓邊緣越陡。

12、本發(fā)明的有益效果在于：

13、本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有緊湊、輕薄的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)高集成度和小型化；相較于傳統(tǒng)的光束整形系統(tǒng)，本發(fā)明利用超表面實(shí)現(xiàn)了光束的整形功能，無需復(fù)雜的光學(xué)元件和繁瑣的光路設(shè)計(jì)，這不僅簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了制造成本，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

14、本發(fā)明通過超表面的特殊結(jié)構(gòu)，利用類法布里珀羅腔的工作原理，實(shí)現(xiàn)高效的極化轉(zhuǎn)換效率，能夠有效地將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束，這個(gè)整形過程效率高，整形后的光束質(zhì)量也高。

15、本發(fā)明所構(gòu)建的光束整形系統(tǒng)具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，這有助于保證系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和較高的光束質(zhì)量。

16、本發(fā)明同時(shí)具有便攜、重量輕、容易集成等優(yōu)點(diǎn)，所述的超表面采用的是二維周期性結(jié)構(gòu)，便于大規(guī)模集成。

技術(shù)特征：

1.一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征在于：從下向上依次為底層沿x軸周期性排列的金屬光柵(1)，介電間隔層(2)，中間圓形開口環(huán)的金屬層(3)，介電間隔層(4)以及頂層沿y軸周期性排列的金屬光柵(5)，各層之間緊密貼合；所述的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面周期為p，底層和頂層呈正交排列的金屬光柵的厚度均為t；兩個(gè)介電間隔層的介電常數(shù)均為ε，厚度為h；中間的金屬層有兩種結(jié)構(gòu)組成，一種是單開口的金屬圓環(huán)，另一種是雙開口的金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)的內(nèi)徑均為r1，外徑均為r2，厚度為t；所述的金屬材料為金或銅。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征在于：所述的單個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)周期p＝100μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征在于：所述的金屬光柵的厚度t＝0.2μm；所述的介電間隔層的材料為f4b，厚度h＝50μm，介電常數(shù)ε為3.0。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征在于：所述的中間金屬層包括單開口或雙開口的金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)的內(nèi)徑r1＝41μm，外徑r2＝49μm；所述的超表面由單元結(jié)構(gòu)組成，通過單元結(jié)構(gòu)的種類、尺寸和排布以改變超表面的相位分布，其相位變化范圍在0-2π內(nèi)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，其特征在于：所述的發(fā)明工作頻段為0.4-1.1thz。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種將圓形光斑高斯光束整形成矩形光斑平頂光束的超表面，屬于激光光束整形領(lǐng)域；超表面包括兩個(gè)介電間隔層和三個(gè)金屬層：頂層是沿y軸周期性排列的金屬光柵，底層是沿x軸周期性排列的金屬光柵，中間層是金屬開口環(huán)，各層之間緊密貼合；基于圓形光斑高斯光束、目標(biāo)矩形光斑平頂光束的電場(chǎng)強(qiáng)度振幅分布、超表面輸入面和輸出面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)超表面相位進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化后的相位設(shè)計(jì)并制備超表面；相比于現(xiàn)有器件，本發(fā)明具有更高的整形效率和更寬的工作帶寬。

技術(shù)研發(fā)人員：陳明,張自鋒,董文慧,方志博,成思遠(yuǎn)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10