將高斯光束整形為一維平頂光束或長方形平頂光束的衍射光學元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光光束整形技術領域，一種將高斯光束整形為一維平頂光束(短方向是高斯分布，長方向是平頂分布)的衍射光學元件及制備方法；一種將高斯光束整形為長方形平頂光束的衍射光學元件及制備方法。
【背景技術】
[0002]目前，激光加工產業尤其是激光打孔設備、激光焊接設備以及激光顯示設備的發展對光束質量提出了越來越高的要求，一方面，精細加工要求激光的光斑越來越小，目前激光打孔設備已經能夠實現直徑數十微米的打孔。另一方面，精細加工要求激光的光斑為平頂分布，而不是高斯分布。所謂平頂分布是指在光斑內部激光能量均勻。高斯分布的特點則是中心能量高，邊緣能量小。高斯光束用于打孔會出現中心打孔速度快、邊緣打孔速度慢等問題；用于激光焊接則會出現中心焊接充分而邊緣焊接不充分等問題。激光顯示行業也要求光斑為平頂型光斑。目前，實現高斯轉平頂的方法主要有以下幾種。
[0003]第一種，非曲面透鏡。非曲面透鏡不同于傳統的凹凸透鏡，其曲面有特殊的形貌要求。他的有限是能夠實現接近百分之百的衍射效率。但是，加工難度極大，不易批量生產。此外，非球面透鏡只能得到圓形的評定光斑，因此其應用范圍大受限制。
[0004]第二種，微透鏡陣列。微透鏡陣列的原理比較簡單。首先用復眼結構的微透鏡將入射光分為若干個分光束，而后使用另一個微透鏡將分光束匯聚從而產生平頂光束。微透鏡的優點在于可以批量生產，但對工藝要求極高，需要精確均勻控制各個微透鏡的曲率、直徑等參數，此外，單個微透鏡不能實現平頂光，必須是兩個結合使用。這對兩個微透鏡的對準提出了極高的要求。
[0005]第三種，光闌法。光闌法的原理是使用孔徑光闌將高斯光束的邊緣部分“裁掉”，從而得到平頂光束。其優點是簡單，缺點在于損失了較多能量。
[0006]第四種，衍射光學元件(Diffractive Optical Element, DOE)整形方法。衍射光學元件利用的是衍射原理，在元件表面制備一定深度的臺階，光束通過時產生不同的光程差，即得到不同的相位調制，而后產生干涉而產生平頂光束。衍射元件實現高斯轉平頂的優點在于靈活度高、最終光束的發散角、光斑形貌可以控制等等，難點在于制備工藝復雜。
【發明內容】
[0007]本發明提出一種新的實現高斯光束轉一維平頂光束或長方形平頂光束的衍射光學元件，簡稱D0E。在石英基片中心處制備不同形狀、不同尺寸的凹槽或者臺階，而后將DOE置于光路中的不同位置，與擴束準直鏡以及聚焦透鏡配合，實現一維平頂光束或長方形平頂光束。
[0008]本發明提供的技術方案如下:
[0009]一種將高斯光束整形為一維平頂光束的衍射光學元件，所述衍射光學元件簡稱DOE，所述DOE可以將圓形高斯光束整形為一維平頂光束，其特征為:實現一維平頂光束的DOE結構為石英基片的中心區域有且只有一個長條形凹槽或臺階；凹槽的長度為貫穿整個石英玻璃；凹槽或臺階的邊長應根據應用要求確定；臺階或凹槽的高度或深度游公式決定:h= λ/2* (n-1)，其中，h為臺階高度或凹槽深度，λ為入射激光波長，η為基底折射率；
[0010]一種將高斯光束整形為長方形平頂光束的衍射光學元件，所述衍射光學元件簡稱D0E，所述DOE可以將圓形高斯光束整形為長方形平頂光束，其特征為:實現長方形平頂光束的DOE結構為石英基片的中心區域有且只有一個長方形凹槽或臺階；凹槽或臺階的邊長應根據應用要求確定；臺階或凹槽的高度或深度游公式決定:h = λ/2* (η-l)，其中，h為臺階高度或凹槽深度，λ為入射激光波長，η為基底折射率；
[0011]所述DOE的材料種類為石英玻璃、普通玻璃、ZnSe。
[0012]一種將高斯光束整形為一維平頂光束或長方形平頂光束的方法，其特征是，所述的DOE將高斯光束整形為一維平頂光束或長方形平頂光束，包括以下幾種方式:
[0013]第一種，首先使用擴束準直透鏡將激光擴束準直，而后穿過D0E，在整形器件后方放置聚焦透鏡并得到一維平頂光束或長方形平頂光束；
[0014]第二種，將DOE放置在擴束裝置之前，在擴束裝置后放置聚焦透鏡并得到一維平頂光束或長方形平頂光束；
[0015]第三種，將DOE放到聚焦透鏡之前得到一維平頂光束或長方形平頂光束；
[0016]第四種，將DOE放到擴束準直系統內部，而后放到聚焦透鏡之前得到一維平頂光束或長方形平頂光束。
[0017]所述的衍射光學元件的制備方法，包括；
[0018]I)根據最終出射的一維平頂光束或長方形平頂光束的相關參數和入射光束的參數進行DOE的設計，生成版圖文件以及光刻掩膜板；
[0019]2)在石英基片表面旋涂光刻膠，而后利用光刻掩膜版進行光刻，生成光刻膠圖形；對于凹槽型D0E，光刻膠圖形化后圖形分布為:石英基片中心處無光刻膠而其它區域有光刻膠；對于臺階型D0E，刻膠圖形化后圖形分布為:石英基片中心處有光刻膠而其它區域無光刻膠；
[0020]3)利用光刻膠圖形為刻蝕掩膜，使用干法刻蝕方法將光刻膠圖形轉移到石英基片上;
[0021]4)將殘余的光刻膠去除。
[0022]所述的衍射光學元件的制備方法，包括:
[0023]I)根據入射光的參數以及最終需要得到的一維平頂光束或長方形平頂光束的參數的要求進行衍射整形元件的設計，經過設計后輸出設計文件；將設計文件轉換為GDS文件，用GDS文件生成光刻掩膜版文件；
[0024]2)在石英基片上旋涂光刻膠；
[0025]3)利用光刻掩膜版文件制備光刻掩膜版，使用光刻掩膜版對石英基片的光刻膠進行曝光、顯影、定影操作，從而在石英基片上留下與設計圖形一致的光刻膠；該光刻膠