專利名稱：多波長共焦衍射光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明多波長共焦衍射光學元件，是一種新型的衍射光學或二元光學元件，適用于多波長的光學共焦特別適用于非可見光束(如激光波長為1.06μm，10.6μm，157nm的紅外或紫外光束)的精密對焦或者光路的精密調整。
目前傳統(tǒng)的光學透鏡組合也稱為經(jīng)典光學元件組合，雖然通過選取不同阿貝系數(shù)的光學材料可以消除一定的色差，但是元件組合復雜，體積大，調整精度要求高，特別是根本無法解決巨大色差的矯正，對波長相差△λ極大的激光線，例如NdYAG激光(1.06μm)和He-Ne激光(0.6328μm)，其△λ≈0.4272μm，又如CO2激光(10.6μm)和He-Ne激光(0.6328μm)其△λ≈9.9672μm，一般的經(jīng)典光學消色差透鏡設計根本不可能解決上述這樣大波長差△λ的色差矯正。
發(fā)明人王潤文、葉超曾設計一種純位相條形衍射光學元件，發(fā)表于93年世界光學大會(WOC′93)，這種元件仍沒有提出和解決光學巨大色差的矯正難題。
專利文獻WO93/20464 G02B 5/18介紹了為了減少由于測試引起變形而設計的一種透鏡結構，這種透鏡結構為帶板棱鏡結構，它只解決熱變形問題，而并不能解決光學消色差問題。
專利文獻SU1620-973 G02B 27/44介紹了一種把多色光(可見光范圍)會聚在一個特定形狀的區(qū)域范圍內的元件，并不能成點像，更沒涉及到消色差，這種元件是一種成熟的位相帶板結構，所以此專利也沒解決消色差難題。
專利文獻EP0，367，241 G02B 5/18介紹了一種衍射光學成像透鏡系統(tǒng)，這是改進光學成像的一種系統(tǒng)，其結構也是帶板結構。雖然可解決可見光區(qū)域的消象差，但很有限(一般情況象差范圍小于0.3μm)，只是傳統(tǒng)光學設計消象差功能用該結構替代而已。因此該專利也沒有解決巨大色差的矯正難題。
上述三項專利無論從內容、透鏡的結構與設計目的都與本發(fā)明完全不一樣。上述專利的透鏡結構都是帶板結構，設計目的只是解決可見光范圍的問題，而且不涉及消色差問題。
本發(fā)明的目的在于解決目前無法解決的波長差極大的光線間的消色差問題，實現(xiàn)幾種非可見光激光束(例如1.06μm或10.6μm紅外、遠紅外激光或如157nm的真空紫外激光)能夠共焦，其應用于系統(tǒng)中光路的精密調整與精密對焦，例如在YAG激光(波長1.06μm)加工過程或醫(yī)用設備中的對焦與光路調整，利用本發(fā)明將可以以可見光(如0.6328μm)無誤差地同軸對焦與調整，以致達到非可見光在實際運行中進行對焦以利隨時監(jiān)測與調整。
本發(fā)明的衍射光學元件是同心等寬度環(huán)帶平面純位相的結構。該元件分成多個單元，對a種波長λa，應分成aN個單元，其中a≥2的正整數(shù)，N≥1的任意正整數(shù)，當a＝2時，為雙波長共焦，元件應分為2N個單元，當a＝3時，元件應為3N個單元等等。每個單元為等寬度d，但半徑不相等的環(huán)帶，如果透鏡直徑設為φ，則寬度d＝φ/(2aN)。當照明光為一平面光波并垂直入射于元件表面，光波透過各個單元環(huán)帶后對象平面上同一點的振幅貢獻各不相同。我們則把這aN個單元環(huán)帶再分成a組，分別對a種不同波長λa利用等光程原理引入不同的位相補償，相應于厚度taN的補償，例如a＝2時，即雙波長共焦，分成N個單元對λ1進行位相補償，另外N個單元則對λ2補償位相。這兩種不同波長的平行光束通過厚度taN補償后的衍射光學元件后，則能在同一象平面的同一(焦)點獲得理想的聚焦光斑。
在位相補償前，各個環(huán)帶對象平面上任一點的光程不同，進行位相補償?shù)哪康?，在于使光束通過各個環(huán)帶后到達焦點的位相差為波長的整數(shù)倍，各個環(huán)帶的補償光程就可決定了相應的補償厚度。補償光程δ由下式?jīng)Q定對波長λ1，第i個環(huán)帶的補償位相為S1i=[L02+(Φ2-d2)2-L02+r1i2-kλ1]/(n1-1)]]>對波長λ2，第j個環(huán)帶的補償位相為S2j=[L02+(Φ2-3d2)2-L02+r2j2-kλ1-kλ2]/(n2-1)---(2)]]>對波長λa，第N個環(huán)帶的補償位相為SaN=[L02+(Φ2-(2a-1)d2)2-L02+raN2-kλa]/(na-1)---(3)]]>其中δ1i、δ2j、δaN分別為對波長λ1、λ2、λa補償?shù)沫h(huán)帶組中第i個、第j個或第N個環(huán)帶的補償光程，L0為設定的光學元件的焦距，r1i、r2j、raN分別為λ1補償?shù)牡趇個環(huán)帶、λ2補償?shù)牡趈個環(huán)帶和λa補償?shù)牡贜個環(huán)帶中心處的半徑。k為整數(shù)，n1、n2、na分別為光學材料對波長λ1、λ2和λa的折射率。
至于環(huán)帶單元數(shù)目aN，其中N的大小可根據(jù)需要而確定，當然，單元數(shù)N越多，光會聚作用應該越好，但加工難度會增加，所以，在滿足光會聚作用的前提下的最小單元環(huán)帶數(shù)N為最佳選擇參數(shù)。
本發(fā)明所說的光學元件是透鏡或者是反射鏡。
射入該發(fā)明元件各個環(huán)帶的光波在象平面的衍射積分迭加，可核對或驗證象平面的光強分布是否理想。光束通過整個元件后在焦點P的總振動應為 (P)＝ (4)所以焦點P的光強度分布則為I(P)＝｜ (P)｜2(5)式(4)和(5)即為象平面上光強分布的基本式。
利用本發(fā)明，可以設計出任意兩種激光波長的消色差衍射光學元件;也可以推廣于設計a＝3，即三波長共焦或a＞3的正整數(shù)即為多波長共焦的二元光學元件。
與已有技術的光學元件相比較，本發(fā)明有如下優(yōu)點1.本發(fā)明是一種理想的消色差光學元件，能消除任意幾種波長相差極大的激光束的色差，而已有技術中所提供的光學元件根本不能解決巨大色差的矯正;
2.本發(fā)明元件尺寸小、體積小、成本低，厚度可小于1mm，象紙張那樣薄，而經(jīng)典光學元件尺寸大，體積大而且成本高;
3.聚集亮斑分辨率高，亮斑半徑小，可以做到半徑小于0.5μm，而經(jīng)典光學透鏡理想Airy盤半徑大，在同等條件下，經(jīng)典的光學透鏡既使在理想的情況下，亮斑半徑至少比本發(fā)明的光學元件的半徑大8倍。
4.本發(fā)明元件容易大量生產(chǎn)，而已有技術的光學元件加工周期長，不容易大量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明波長λa，a＝2時，共焦衍射光學元件的結構示意圖。φ為元件的直徑，d為環(huán)帶寬度，i、j分別為第i、第j個環(huán)帶。
圖2、3，對于透射光λ1＝1.06μm和λ2＝0.6328μm的兩種波長的光束照明本發(fā)明的透鏡后在象面上的光強分布。X軸表示象面上的位置即離中心軸的半徑r，Y軸表示象面上的光強度I。圖2透射光波長為1.06μm，圖3透射光波長為0.6328μm。
圖4透射光波長為1.06μm光束離焦面上的光強分布，X軸表示象平面上的位置。
曲線1離焦值△d＝10(焦平面)曲線2離焦值△d＝0.17mm曲線3離焦值△d＝0.20mm圖5透射光波長為0.6328μm光束離焦面上的光強分布。
曲線1離焦值△d＝0曲線2離焦值△d＝0.13mm曲線3離焦值△d＝0.17mm實施例以透射光波長λa，a＝2，λ1＝1.06μm，λ2＝0.6328μm為例，我們設計的一塊雙波長共焦的等寬環(huán)帶平面純位相衍射光學透鏡，直徑φ為16mm，分割成16個等寬同心環(huán)帶，寬度d為0.5mm，把這些環(huán)帶再分成兩組，對λ1與λ2環(huán)帶相交的進行位相補償，采用K9光學玻璃，透鏡焦距L0為100mm，其構成示意圖1。
對于環(huán)帶厚度taN的補償，即相應于位相補償，對于波長λ1＝1.06μm，N＝5環(huán)帶的厚度補償，根據(jù)上述公式，可算出t1.5＝486.6μm，對于波長λ2＝0.6328μm，N＝6環(huán)帶的厚度補償為t2.6＝508.7μm。
當上述兩種波長的平行光束通過本發(fā)明透鏡后可以在同一焦平面的同一位置獲得理想的聚焦光斑，對1.06μm和0.6328μm兩種波長在同焦平面上的光強分布分別示于圖2和圖3?？梢钥吹?，這兩種不同波長的光束都會聚于象平面的同一點R＝0，中心光斑半徑都小于0.5μm(而按經(jīng)典光學圓盤的理論，Airy斑半徑約為4.75μm)，邊緣光噪音小于10%。
為了確定焦面是這兩種波長的最佳焦面，圖4和圖5分別為1.06μm和0.6328μm兩種波長的光束在不同離焦值△d時的離焦面上的光強分布?？煽吹剑瑢?.06μm的光束，當成象屏從焦平面向前移動時，光會聚作用越來越差，中央亮斑越來越大，邊緣部分的噪音光暈也越來越強，而且光斑中心逐漸偏離光軸。當離開焦平面0.17mm時中央光斑已離軸約0.3μm，邊緣光暈強度已達中央處光強的80%，聚光作用明顯消失，這充分表明，設定100mm焦距的焦平面是1.06μm和0.6328μm這兩種波長光束的共同焦平面。
權利要求
1.一種多波長共焦衍射光學元件，其特征是用于波長λa的純位相結構的光學元件含有aN個寬度d相等，半徑r不等，厚度taN不相等的有共同中心O的環(huán)帶平面。
2.依據(jù)權利要求1所述的一種多波長共焦衍射光學元件，其特征在于波長λa，其中，a≥2的正整數(shù)，aN個環(huán)帶，其中N≥1的正整數(shù)。
3.依據(jù)權利要求1所述的一種多波長共焦衍射光學元件，其特征在于所說的光學元件是透鏡，或者是反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明是一種多波長共焦衍射光學元件，適用于多波長的光束共焦，特別適用不可見光的精密對焦或者光路的精密調整。本發(fā)明作為透鏡或者反射鏡的光學元件，含有多個寬度相等，半徑不等，厚度也不相等的同心環(huán)帶平面。本發(fā)明的光學元件主要是解決了巨大色差的矯正問題，還具有體積小，成本低，容易大量生產(chǎn)的優(yōu)點。是一種理想的消色差光學元件。
文檔編號G02B3/08GK1104338SQ9411228
公開日1995年6月28日 申請日期1994年8月27日 優(yōu)先權日1994年8月27日
發(fā)明者王潤文, 葉超 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所