專利名稱：孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光加工設(shè)備中的光束變換鏡，特別是適用于使用多模、非穩(wěn)、大功率的激光器進(jìn)行工業(yè)加工的技術(shù)領(lǐng)域。
用于激光加工與熱處理的高功率激光器，其輸出的激光束形狀多近似為圓形，強(qiáng)度分布近似為中心強(qiáng)周邊弱的非高斯型，且一般是多模式和不穩(wěn)定的。但是在激光加工中，卻需要使用穩(wěn)定的變形激光束，即不但要對(duì)原光束的形狀和強(qiáng)度分布進(jìn)行修改變換，以適應(yīng)不同的加工目的，對(duì)象和工藝，而且要保持該變形光束的形狀與強(qiáng)度分布的相對(duì)穩(wěn)定。例如，在激光表面淬火處理中，要求CO2激光束穩(wěn)定于某種所需的光強(qiáng)度分布和形狀。
在實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束進(jìn)行變換的現(xiàn)有技術(shù)中，有如文獻(xiàn)呂茂鈺，《光學(xué)零件制造(冷加工部分)》，機(jī)械工業(yè)出版社，1977，9.253中采用非球面或異形面型鏡的；也有如文獻(xiàn)金國藩等，《計(jì)算機(jī)制全息圖》，清華大學(xué)出版社，1984，p.91-165，中介紹的采用全息圖和計(jì)算全息圖的；另一種是采用如文獻(xiàn)陳巖松，《物理》，21，1992，p.197，中介紹的二元光學(xué)器件的。這些技術(shù)及器件雖在不同程度上能對(duì)激光束的形狀和強(qiáng)度進(jìn)行變換，但卻無法適應(yīng)多模和非穩(wěn)激光束，即當(dāng)原光束的形狀和強(qiáng)度分布發(fā)生變化時(shí)，其變換光束的形狀和強(qiáng)度分布也要發(fā)生變化。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述光束變換器的不足之處，為了使變換鏡不但能對(duì)原光束的形狀和強(qiáng)度分布進(jìn)行變形轉(zhuǎn)換，而且能保持該變形光束的形狀與強(qiáng)度分布在原光束的形狀和強(qiáng)度分布發(fā)生變化時(shí)也能夠相對(duì)穩(wěn)定，從而提供一種可適用于多模、非穩(wěn)、大功率激光束的新型光束變換鏡。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的選用對(duì)于待變換激光光束具有良好透過率的材料做鏡片片基，將片基的一表面加工成平面或者曲率為R的球面，而將另一表面分成i個(gè)(i＝2，3，4，…50)邊界相連的子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域的表面，采用現(xiàn)有二元光學(xué)變換鏡的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)(參見文獻(xiàn)陳巖松，《物理》，21，1992，p.197)，制作具有N個(gè)(N＝2，…64)深度等級(jí)的階梯形微結(jié)構(gòu)分布，分別制作出i個(gè)獨(dú)立的變換功能相同或近似相同的子激光光束變換鏡。
激光光束入射該變換鏡后，由于其上的i個(gè)獨(dú)立的子變換鏡的光束變換功能(通過光學(xué)衍射)相同或近似相同，故經(jīng)各個(gè)子變換鏡變換后輸出的各子光束的形狀和強(qiáng)度分布便相同或近似相同，因而由它們疊加而成的合成光束的形狀和強(qiáng)度分布便也與各子光束的相同，僅光束總強(qiáng)度為各子光束強(qiáng)度的疊加；當(dāng)入射光束是多模、非穩(wěn)激光束時(shí)，即入射到變換鏡上的激光束的形狀和強(qiáng)度分布隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，例如入射光束的形狀先是近似長(zhǎng)方形，其能量主要落在子區(qū)序號(hào)為i＝1，2，3，4的子區(qū)內(nèi)，后近似變?yōu)檎叫?，其能量主要落在子區(qū)序號(hào)為i＝2，3，6，7的子區(qū)內(nèi)，由于每個(gè)子區(qū)均能將入射其上的光束獨(dú)立地按相同或近似相同的功能進(jìn)行變換，故上述兩種情況下的最終合成的(目標(biāo))光束的形狀和強(qiáng)度分布將是近似相同的，從而可以顯著減輕總的合成光束—即目標(biāo)光束隨入射光束的變化程度，達(dá)到當(dāng)入射光束為非穩(wěn)多模光束時(shí)，其輸出的目標(biāo)光束的形狀和強(qiáng)度分布也能相對(duì)穩(wěn)定的目的。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明


圖1是孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡沿XOZ平面的剖面視圖；圖2是孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡沿YOZ平面的剖面視圖；圖3是孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡的工作示意圖；圖4是孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡的第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡的第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1、圖2是實(shí)施例1的剖面示意圖 (圖中X、Y、Z三軸相互垂直，且都通過中心O點(diǎn))。片基采用砷化鎵材料， 其一面被磨成曲率為R的光學(xué)球面，另一面分別沿X和Y方向各分成4個(gè)區(qū)帶，如
圖1中1’，2’，3’，4’和圖2中5’，6’，7’，8’所示，使該表面被劃分成16個(gè)子區(qū)域(子區(qū)序號(hào)i＝1，2，3，…16)。對(duì)于每個(gè)子區(qū)的表面，采用微電子學(xué)刻蝕技術(shù)制作出最多為8個(gè)深度等級(jí)的具有矩形狀臺(tái)階的階梯型微結(jié)構(gòu)分布，各階梯的具體形狀和位置，根據(jù)所要達(dá)到的具體的光束變換要求而定即先設(shè)入射到每個(gè)子區(qū)的光束的形狀與該子區(qū)的形狀相同，而入射到每個(gè)子區(qū)的光束的強(qiáng)度在該子區(qū)內(nèi)是均勻的，然后再根據(jù)對(duì)于變換后的目標(biāo)光束的要求是形狀為長(zhǎng)方形、強(qiáng)度分布為中間弱周邊強(qiáng)的情況，而按現(xiàn)有的二元光學(xué)變換鏡的設(shè)計(jì)程序(一般需用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì))而確定，從而分別制作出16個(gè)獨(dú)立的并具有相同或近似相同的變換功能的子激光光束變換鏡，其縱向剖面結(jié)構(gòu)如
圖1、圖2所示(由于階梯數(shù)目眾多和細(xì)小，圖中均只能象征性地畫出)。該變換鏡具有如下特征1.每個(gè)子區(qū)域均有若干階梯組成；2.各階梯又有最小為2，最多為8個(gè)矩形臺(tái)階組成；3.矩形臺(tái)階的深度是亞波長(zhǎng)量級(jí)，階梯的高度是波長(zhǎng)量級(jí)。
按圖3位置放置該變換鏡，待變換激光束(圖中9)從左側(cè)入射該變換鏡(圖中10)，由于該變換鏡上的每個(gè)子變換鏡遠(yuǎn)比整個(gè)變換鏡要小，故入射到每個(gè)子變換鏡上的激光光束的強(qiáng)度不均勻性遠(yuǎn)比入射到整個(gè)變換鏡上的激光光束的強(qiáng)度不均勻性小，所以認(rèn)為入射到每個(gè)子變換鏡上的光束的強(qiáng)度是均勻的假設(shè)可近似成立；另由于入射激光光束總會(huì)投射到(因而覆蓋并充滿)16個(gè)子變換鏡中的大多數(shù)上，所以對(duì)于16個(gè)子變換鏡中的大多數(shù)而言，入射激光束的形狀與其形狀相同，于是每個(gè)子變換鏡都將入射其上的激光束變換成光束形狀為長(zhǎng)方形，光強(qiáng)分布為中間弱周邊強(qiáng)的子目標(biāo)光束，這些子目標(biāo)光束疊加合成便得到所需的總目標(biāo)光束(圖中11)，其形狀同樣為長(zhǎng)方形，而光強(qiáng)分布同樣為中間弱周邊強(qiáng)。
圖4是第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。變換鏡有兩個(gè)部件組成，一個(gè)部件是用鍺材料做片基(圖中12)，其一面是光學(xué)平面，另一面刻蝕有如
圖1和圖2中所描繪的那種階梯狀的微結(jié)構(gòu)(圖中13)，構(gòu)成衍射部件；另一部件是一平凸形球面透鏡(圖中14)。兩部件共光軸分離放置(也可將兩部件的平面相互膠合)而組成一復(fù)合型變換鏡。這種結(jié)構(gòu)的好處是刻蝕有階梯狀構(gòu)造的平面形薄片可使用復(fù)制片，從而使造價(jià)低廉，還可通過材料的選擇，使兩部件的色散互補(bǔ)抵消或減輕。
待變換激光束從左側(cè)先入射平凸形球面透鏡(圖中14)，經(jīng)其折射變成會(huì)聚光再入射到衍射部件(圖中12，13)，該衍射部件上的每個(gè)子變換區(qū)域都將入射其上的激光束變換成光束形狀為長(zhǎng)方形，光強(qiáng)分布為中間弱周邊強(qiáng)的子目標(biāo)光束，這些子目標(biāo)光束疊加便合成得到所需的總目標(biāo)光束從右側(cè)出射，其形狀同樣為長(zhǎng)方形，而光強(qiáng)分布同樣為中間弱周邊強(qiáng)。
圖5是第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。變換鏡也有兩個(gè)部件所組成，一部件是一個(gè)平面形薄片(圖中15)，其一面刻蝕有如
圖1和圖2中所描繪的那種階梯狀的微結(jié)構(gòu)(圖中16)，并在其面上鍍反射膜，使其成為一反射型衍射變換部件；另一部件是一凹球面反射鏡(圖中17)，兩部件共光軸分離放置，也組成一復(fù)合型變換鏡。這種結(jié)構(gòu)的好處是不僅能使具有階梯狀構(gòu)造的平面形薄片可使用復(fù)制片，從而使造價(jià)低廉，而且還可通過鍍膜，使變換鏡能夠耐高激光功率，并可提高抗惡劣工作環(huán)境(例如多塵環(huán)境)的能力。
待變換激光束也從左側(cè)先入射凹球面反射鏡(圖中17)，經(jīng)其反射變成會(huì)聚光再入射到反射型衍射部件(圖中15，16)，該反射型衍射部件上的每個(gè)子變換區(qū)域也都將入射其上的激光束變換成光束形狀為長(zhǎng)方形，光強(qiáng)分布為中間弱周邊強(qiáng)的子目標(biāo)光束，這些子目標(biāo)光束疊加合成便得到所需的總目標(biāo)光束從右側(cè)出射，其形狀和光強(qiáng)分布同樣也分別為長(zhǎng)方形和中間弱周邊強(qiáng)。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)如下與上述技術(shù)中各類光束變換鏡，如非球面或異形面形鏡、全息圖和計(jì)算全息圖以及無子分區(qū)的二元光學(xué)器件相比，本實(shí)用新型所述的孔徑分區(qū)衍射合成式激光光束變換鏡不但能對(duì)入射激光束的形狀和強(qiáng)度分布進(jìn)行精確、復(fù)雜的變換(因本變換鏡是一種結(jié)構(gòu)精細(xì)的光學(xué)器件，其矩形臺(tái)階的深度是亞波長(zhǎng)量級(jí)，而階梯高度是波長(zhǎng)量級(jí))；而且當(dāng)入射激光束的形狀與強(qiáng)度分布變化時(shí)，通過其變換所得的目標(biāo)光束的形狀和強(qiáng)度分布能保持相對(duì)穩(wěn)定，從而為使用多模、非穩(wěn)、大功率的激光器進(jìn)行激光加工的領(lǐng)域提供出一種性能良好的實(shí)用新型激光光束變換鏡。
權(quán)利要求1.一種激光光束變換鏡，其特征在于選用對(duì)于待變換激光束具有良好透過率的材料做鏡片片基，將片基的一表面分成i個(gè)邊界相連的子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域的表面，制作具有N個(gè)深度等級(jí)的階梯形微結(jié)構(gòu)分布，而分別制作出i個(gè)獨(dú)立的變換功能相同或近似相同的子激光光束變換鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的激光光束變換鏡，其特征在于所說的片基一表面的子區(qū)域的數(shù)目i是從2到50。
3.如權(quán)利要求1所述的激光光束變換鏡，其特征在于所說的階梯形微結(jié)構(gòu)的深度等級(jí)數(shù)N的取值范圍是從2到64。
4.如權(quán)利要求1所述的激光光束變換鏡，其特征在于將鏡片片基的另一表面加工成平面或者曲率為R的球面。
5.如權(quán)利要求1所述的激光光束變換鏡，其特征在于所說的片基一表面的子區(qū)域中的每一個(gè)均有若干階梯組成，各階梯又有N個(gè)矩形臺(tái)階組成，臺(tái)階的深度是亞波長(zhǎng)量級(jí)，階梯的高度是波長(zhǎng)量級(jí)。
6.如權(quán)利要求1所述的激光光束變換鏡，其特征在于所說的i個(gè)獨(dú)立的子激光光束變換鏡被制作在一個(gè)部件上，而在另一個(gè)部件上制作曲率為R的球面，兩部件共光軸分離放置，也可將兩部件的平面相互膠合，組成復(fù)合型變換鏡。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種激光加工設(shè)備中的新型光束變換鏡，特別適用于使用多模、非穩(wěn)、大功率的激光器進(jìn)行工業(yè)加工的技術(shù)領(lǐng)域。通過對(duì)鏡孔徑分區(qū)進(jìn)行精細(xì)地衍射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其不但能對(duì)入射光束的形狀和強(qiáng)度分布根據(jù)具體加工需要進(jìn)行精確、復(fù)雜地變換，而且能保持變換光束在入射光束的形狀和強(qiáng)度分布發(fā)生變化時(shí)的高度穩(wěn)定性，且光能轉(zhuǎn)化效率高，造價(jià)低，為一實(shí)用性良好的光束變換器件。
文檔編號(hào)G02B7/09GK2252996SQ9520377
公開日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1995年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月27日
發(fā)明者陳巖松, 李德華, 柳尚青 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所