專利名稱:方形激光斑聚焦器的制作方法
本設計提出了一種光學裝置，它不僅可以將截面積為圓形的單模高斯光束轉換或截面為方形的均能分布，而且可以任意調節方形均能光斑的大小，以滿足實際應用的需要。
在材料表面的改性處理、精密加工，以及半導體集成電路的制作工藝中，為獲得較高的激光處理質量，人們希望獲得截面為方形且能量分布均勻的激光束，以期實現激光對材料表面的均勻掃描幅照。為達到上述目的，國內外研制過不少光學裝置，但迄今為止，還不能較滿意地滿足實際應用的需要，其原因在于，大部分裝置的設計均不能有效地消除光的菲涅耳衍射對預期光斑的不良影響。由于光的菲涅耳衍射，光斑邊沿處能量的空間躍變緩慢，衍射條紋在光斑內部的迭加又引起新的不均勻分布，從而降低了光斑的質量。(例如1983年y.Kawamura(日本)，y.Itagaki，K.Toyoda and S.Namba等人提出的裝置 OPtics Comm.48(1983)44. )。為獲得較滿意的光斑，人們不得不增加對入射光束的分割份數，使每束被分割的激光在迭加平面形成接近方形均勻分布的光斑(例如D.MDagenais(美國)J.A.Woodroffe and I.ItzkanAppl.Optics.24(1985)671.)。然而，多束光的迭加雖可以在光斑內部讓菲涅耳衍射條紋統計相消，但光斑邊沿能量的上升特性并不能發生明顯好轉；此外，光學部件的增多對裝置的加工與配置精度提出了更為苛刻的要求，工藝的復雜化使裝置制作成本大大增加。
在我國，近年來激光熱處理的應用研究有較大的發展，變激光能量為均勻分布的課題也得到積極研究，但以1986年全國熱處理會議上所報導的兩種裝置(正八面體轉鏡和正二十四面體轉鏡)來看，在克服菲涅耳衍射對光斑邊沿處引起的能量緩慢下降方面，事實上無明顯改善。
經理論證明 利用相干光的成像原理，將能最大限度地削弱光的衍射作用對予期光斑的不良影響，從相干光的成像原理出發所設計的光學裝置，將使形成光斑的質量較以往的同類裝置的各項指標提高近10倍。1986年7月本設計人曾與J.MERLIN(法國).J.PEREZ(法國)合作、發表過一種較為滿意的裝置( Revue de physique Appliquée 21(1986)425.)，它可以將單模高斯激光轉化為能量分布截面接近于理想矩形的高質量光斑。但是，裝置有一不足之處是只能提供邊長大于入射光束半徑的均能光斑，在需要高能量密度激光幅射的場合，裝置的使用仍受到限制。
本設計的目的在于基于過去研究的基礎，重新提出一種新的裝置，該裝置不僅可以將單模高斯激光轉換為質量優良的方形均能光斑，而且可以隨意調節光斑的大小(包括邊長遠小于入射激光束半徑的情況)圖一為本發明的示意圖。半徑為W的單模高斯激光沿系統對稱軸垂直入射到一面四棱折射鏡A上，該折射棱鏡的形狀與系統對稱軸對稱。穿過折射棱鏡A后激光被分割為四瓣幾何對稱的光束，并分別沿自己的折射方向投射到與A相距為d0的第二面四棱折射鏡B上。在棱鏡B后緊貼放置有一焦距為f的成像透鏡C，若選擇折射棱鏡A的出射平面oxy為透鏡C的物平面，通過元件參數及配置位置的適當選擇，可以在該物平面上形成由四個1／4高斯光束截面相互迭加的方形“虛物”，這樣，在透鏡C的像平面上得到該“虛物”的實像。當物平面上“虛物”的邊長與高斯光束半徑之比約為1.1時，我們將在透鏡后距離di處的像平面OiXiYi上獲得放大 M＝di／d0倍的方形均能光斑。
為體現本設計所提出裝置的性能(以下將該裝置簡稱為L)茲在同等條件下和y、Kawamura(日本)所提出的裝置(以下簡稱K)進行理論比較。
設入射光束的半徑為W＝7毫米，波長λ＝10.6(微米)以及光學系統的出射平面到迭加平面的距離為di＝120毫米，由于裝置K無放大或縮小作用，我們暫且選擇裝置L的放大率M＝1圖Z－L為裝置L所獲得的光斑能量分布形態。圖2－K為裝置K所獲得的光斑能量分布形態。圖3為這兩種裝置所獲得光斑的能量分布軸向剖面比較圖。
由于本裝置可以通過更換焦距不同的成像透鏡的辦法、改變像的放大率、調整合成方形光斑的尺寸。以下選擇放大率M＝0.5，1，1.5其他條件不變對裝置L獲得的光斑進行計算，得到圖4所示的光斑在同一坐標中的能量分布剖面。
若忽略光學元件對光能的吸收，裝置L所獲得的方形光斑周圍散布著約6％的入射光能，在緊貼光斑邊沿的外側，能量密度約為光斑內的8％左右。為進一步獲得能量剖面接近理想矩形的方形光斑，可以在第一面四棱折射鏡之前放置一道長為2.2W的方形孔徑光 (見圖5)讓光闌預先吸收這部份散布在光斑周圍的多余能量，這樣，在裝置L之后，迭加平面上將有圖5所示的接近理想矩形能量截面的能量分布。
與現有技術相比本設計的優點在于1.它可以將截面為圓形的單模高斯光束轉換為方形的均能分布。
2.可以任意調節方形均能光斑的大小，滿足實際應用的需要。
3.該裝置制作工藝簡單、易于推廣。
4.對于材料表面處理的大功率激光應用，對于激光的精密加工，對于半導體集成電路的激光處理以及對于某些需要激光均勻幅照的特殊運用，本設計可以成為一種通用的激光能量均勻化的工具。
權利要求
1.方形激光斑聚焦器是一種光學裝置，由棱鏡、折射鏡組成，其特征是(1)該裝置是由二面四棱折射鏡A、B和一面成像透鏡C構成，(2)四棱折射鏡A、B的形狀與系統對稱軸對稱，(3)兩面四棱折射鏡A、B之間的距離d0的選擇應與棱鏡的折射率及幾何形狀相適應，使入射高斯光束穿過A、B之后，能在成像透鏡之前d0處形成邊長為1·1W的方形“虛物”，(4)成像透鏡C的“虛物”平面與第一面棱鏡A的出射平面相吻合，(5)成像鏡C的位置緊貼四棱鏡B后放置。
專利摘要
本設計為由兩片棱鏡及一片透鏡組成的一種光學裝置，它可以將能量分布為高斯型的單模高斯激光會聚為截面為方形的均能光斑，并且可以方便地調節光斑的大小。在大功率激光對材料表面處理的運用及研究中將發揮積極作用。
文檔編號G02B27/40GK87202331SQ87202331
公開日1987年10月21日 申請日期1987年2月20日
發明者李俊昌 申請人:昆明工學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan