一種實現飛秒激光長焦深的折衍混合元件的設計方法
【專利摘要】一種實現飛秒激光長焦深的折衍混合元件的設計方法，涉及激光光束整形領域。本發明公開了一種可以實現800nm飛秒激光光束長焦深的折衍混合元件設計方法。該元件由平凸透鏡基底和二元微結構衍射光學表面兩部分組成，結構示意如圖1所示，(1)為平凸透鏡基底，(2)為二元微結構衍射光學表面。800nm飛秒激光光束通過元件，平凸透鏡承擔系統的光焦度，微結構衍射光學表面用于調整光場分布，最終可得到長焦深、小焦斑的激光光束。此方法為實現長焦深的飛秒激光微加工透鏡提供了可行的設計方案。
【專利說明】一種實現飛秒激光長焦深的折衍混合元件的設計方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及激光領域，具體為激光光束整形領域。
【背景技術】：
[0002] 自1960年激光器問世以來，激光在加工方面的應用不斷拓展，特別是在激光打 孔、切割、光刻等方面起了非常重要的作用。在激光打孔和切割實驗中，光束聚焦后的尺寸 及焦深是決定實驗準確度和切割精度的關鍵。相比于傳統的加工方法，飛秒激光微加工具 有材料適應性廣、非接觸、無污染、高精度、高效率等優點，對于微納尺度的高品質加工，飛 秒激光加工是一種更加有效的加工手段。因此實現飛秒激光光束的長焦深有著重要的意 義。
[0003] 實現長焦深的方法有很多種，主要有以下六種方法：
[0004] 1.傳統的方法是通過減小數值孔徑來擴展焦深，但是透鏡焦深與焦斑大小的矛盾 關系使得分辨率與加工深度很難同時獲得提升，增加焦深必然會引起焦斑尺寸的增大。
[0005] 2.利用軸錐鏡來實現長焦深，軸錐鏡能將入射平面波變換為光強沿軸錐鏡光軸成 線性分布的錐面波，并且可以無擴散的傳播很遠的距離。然而形成的錐面波在軸上的光強 隨傳播距離呈線性趨勢增長，并伴有激烈振蕩。
[0006] 3.無衍射光束實現激光長焦深，如圓錐鏡法、無限窄圓法等，但這些方法存在焦深 范圍不易控制和焦深范圍內軸上光強振蕩厲害，或者能量利用率低等問題。
[0007] 4.利用能量守恒法設計對數光錐實現無衍射光束，該方法有效增加了焦深，但是 焦深范圍內的能量利用率太低。
[0008] 5.隨著二元光學技術的發展，利用折衍混合光學元件實現長焦深成為人們研究的 熱點，這一方法是將軸上光強分布作為目標函數，通過采用優化算法求解衍射面的相位分 布函數或光強分布函數來獲得長焦深。
[0009] 6.波前編碼技術，該方法是將光學技術與圖像處理相結合的一種擴大焦深的新技 術方法。目前，該方法在光學系統中的應用也取得了長足的進展。
【發明內容】
：
[0010] 本發明利用折衍混合元件實現800nm飛秒激光光束長焦深，公開該折衍混合元件 的設計方法。
[0011] 折衍混合元件的設計基于已成熟的標量衍射理論。該元件由平凸透鏡基底和二元 微結構衍射光學表面兩部分組成，平凸透鏡承擔系統的光焦度，微結構衍射光學表面用于 調整光場分布。
[0012] 設計長焦深折衍混合元件是相位的恢復問題。因此，本發明的設計步驟如下：
[0013] (1)根據所用激光器的參數和設計焦深焦斑的要求確定折衍混合元件的材料、元 件初始孔徑值、衍射面初始孔徑值、元件厚度、入射光場能量分布、出射光場能量分布。
[0014] (2)計算衍射面初始相位函數矩陣。編寫折衍混合元件衍射面初始相位的計算程 序，取步驟1中確定的入射光場能量分布、出射光場能量分布作為輸入輸出光場，計算得到 衍射面初始相位函數矩陣。
[0015] (3)曲線擬合。將衍射面初始相位函數矩陣與光學設計軟件Zemax中二元光學 元件的相位函數表達式進行擬合，得到衍射面歸一化徑向孔徑坐標的系數值，并將得到的 系數值和步驟1中確定的元件材料、元件初始孔徑值、衍射面初始孔徑值、元件厚度輸入 Zemax軟件中。
[0016] (4)優化結構參數。提出了一種改進的能量守恒法，根據這種方法編寫試用于 Zemax軟件的宏文件，對元件的孔徑值、衍射面孔徑值、凸面曲率、元件厚度和二元面歸一化 徑向孔徑坐標的系數值進行優化，得到上述元件參數的最終值。
[0017] 所述改進的能量守恒法主要思路如下：
[0018] 設Pjr)為入射光在元件表面的能量密度，Pz(z)為經過折衍混合元件后出射光在 焦深前焦面與光軸交點屯到焦深后焦面與光軸交點d 2之間各個平面上的能量密度。設定 高斯光束入射到相位器件表面后，出射能量全部集中在側面高度為dlCl 2、底面半徑為ω的 圓柱體內，且在焦深范圍內光強分布均勻。下面對核心公式進行推導。
[0019] 設輸入光場能量呈高斯分布，其能量密度分布函數為
[0020]
【權利要求】
1.實現飛秒激光光束長焦深的折衍混合元件的設計方法，其特征在于步驟如下： (1) 根據所用激光器的參數和設計焦深焦斑的要求確定折衍混合元件的材料、元件初 始孔徑值、衍射面初始孔徑值、元件厚度、入射光場能量分布、出射光場能量分布； (2) 計算衍射面初始相位函數矩陣：編寫折衍混合元件衍射面初始相位的計算程序， 取步驟（1)中確定的入射光場能量分布、出射光場能量分布作為輸入輸出光場，計算得到 衍射面初始相位函數矩陣； (3) 曲線擬合：將衍射面初始相位函數矩陣與光學設計軟件Zemax中二元光學元件的 相位函數表達式進行擬合，得到衍射面歸一化徑向孔徑坐標的系數值，并將得到的系數值 和步驟（1)中確定的元件材料、元件初始孔徑值、衍射面初始孔徑值、元件厚度輸入Zemax 軟件中； (4) 優化結構參數；設匕(r)為入射光在元件表面的能量密度，Pz(z)為經過折衍混合 元件后出射光在焦深前焦面與光軸交點屯到焦深后焦面與光軸交點d 2之間各個平面上的 能量密度；設定高斯光束入射到相位器件表面后，出射能量全部集中在側面高度為dlCl 2、底 面半徑為ω的圓柱體內，且在焦深范圍內光強分布均勻； 下面對核心公式進行推導： 設輸入光場能量呈高斯分布，其能量密度分布函數為 _2r2 Pr(r) = Pe-^7 (1) 式中為高斯光束束腰半徑值；P為輸入高斯光束單脈沖最大能量密度值；r為高斯 光束半徑坐標值； 設輸出光場能量呈平頂分布，其能量密度為常數，即Pz(z) = C，為方便計算，C取值為 1 ; 根據能量守恒原理有 2r^ 2 /〇χ πΓΡ e ?ii^dr = /^€πω2ζ?ζ (2) 式中ω為出射光束束腰半徑值，z為光波在光軸上的傳輸距離； 求解式⑵則可以得到z的表達式 -輕-尋屯 ⑶ 編寫適用于Zemax軟件的宏文件，具體如下： 首先，設置初值：根據表達式（3)設置編寫宏文件所需輸入的初值：輸入光束束腰半徑 值ω。、輸出光束束腰半徑值ω、焦深前焦點在光軸上的位置屯、輸入高斯光束單脈沖最大 能量密度值P ;由于是將入射光束看做是由很多條光線組成，對每條光線經過元件出射后 在光軸上的交點位置坐標進行控制；而每條光線的初始位置由在入射光束束腰直徑處的垂 軸坐標表示，即表達式（3)中的X ;因此，為了得到X的取值，設置在入射光束束腰直徑內X 的抽樣個數，并在入射光束束腰直徑內進行等距離抽樣； 然后，編寫表達式（3); 最后，優化參數：按照以上兩步將宏文件編寫完畢后，將其加載到Zemax軟件中，利用 軟件自身的優化功能對元件的孔徑值、衍射面孔徑值、凸面曲率、元件厚度和二元面歸一化 徑向孔徑坐標的系數值進行優化，從而得到元件各參數的最終值。
【文檔編號】G02B27/00GK104297925SQ201410535729
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】陳濤, 梁曉莉, 朱航歐 申請人:北京工業大學