專利名稱：一種對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化處理的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用多個(gè)柱型菲涅耳微透鏡組成的陣列對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器廣泛地應(yīng)用于焊接、退火、切割、打孔、微細(xì)加工以及軍事、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及穩(wěn)定性有著很高的要求。因此，對(duì)半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化處理已成為了一種必要的技術(shù)手段。目前，半導(dǎo)體激光光束勻化的方法主要有兩種:一種是波導(dǎo)方法，另一種是微透鏡陣列法。前者不受入射光束的能量分布及隨時(shí)波動(dòng)的影響，但勻化后光束的光亮度低，且系統(tǒng)部件多，體積大，不容易集成組裝。后者主要由準(zhǔn)直透鏡，非球面微透鏡陣列，傅里葉透鏡組成，系統(tǒng)部件少，體積小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透鏡陣列非常困難，且生產(chǎn)成本很高。此外普通的折射型非球面微透鏡由于工藝限制，其口徑單元很難實(shí)現(xiàn)微型化且存在過(guò)渡區(qū)域，因而導(dǎo)致能量利用率較低，均勻性較差。在保證光束均勻性的前提下，若能降低制造微透鏡陣列的工藝難度及生產(chǎn)成本，則微透鏡陣列激光光束勻化系統(tǒng)更加具有實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高面陣半導(dǎo)體激光光束的均勻性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工藝難度及生產(chǎn)成本，提高微透鏡陣列激光勻化系統(tǒng)的實(shí)用性。為了解決上述問(wèn)題，提出了一種利用柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化的光學(xué)系統(tǒng)。 所述光學(xué)系統(tǒng)主要構(gòu)成有:面陣半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡、快軸場(chǎng)鏡；面陣半導(dǎo)體激光器位于微準(zhǔn)直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導(dǎo)體激光器輸出激光束為系統(tǒng)光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多模激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡陣列準(zhǔn)直后平行入射，再經(jīng)第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個(gè)子光束并聚焦于后焦面上，再經(jīng)第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡將每一子光束疊加于場(chǎng)鏡的后焦面，即照明面上。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用柱型菲涅耳衍射微透鏡組成的陣列對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化，使焦平面上的光斑均勻性達(dá)到了 8.3 %，衍射效率達(dá)到了 94.4%，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光光束的勻化，相對(duì)波導(dǎo)勻化系統(tǒng)和非球面微透鏡陣列勻化系統(tǒng)，縮小了分割微透鏡的口徑，對(duì)入射激光光束的分割次數(shù)增多，每次分割的面積減小，從而提高了勻化光束的均勻性；柱型菲涅耳微透鏡陣列沒(méi)有過(guò)渡區(qū)，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透鏡陣列制作簡(jiǎn)單精確，降低了制作微透鏡陣列的工藝難度及生產(chǎn)成本，很大程度上提高了微透鏡陣列勻化系統(tǒng)的實(shí)用性。


圖1a和圖1b是含有第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)原理圖；圖2是一個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡y_z面視圖；圖3是柱型菲涅耳衍射微透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖4a_圖4c是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)ZEMAX模擬結(jié)果；圖5是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果；圖6a和圖6b是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構(gòu)成的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)原理圖；圖7a_圖7c是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構(gòu)成的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)ZEMAX模擬結(jié)果；圖8是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列組成的面陣半導(dǎo)體激光光束勻化系統(tǒng)MATLAB數(shù)值模擬結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)例中的 附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。如圖la、圖1b所示柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列激光光束勻化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)含有:面陣半導(dǎo)體激光器1、準(zhǔn)直鏡陣列2、第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場(chǎng)鏡5和快軸場(chǎng)鏡6。面陣半導(dǎo)體激光器I位于微準(zhǔn)直鏡陣列2的前焦面上，并以面陣半導(dǎo)體激光器I輸出激光束為系統(tǒng)光軸。第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場(chǎng)鏡5和快軸場(chǎng)鏡6依序位于光軸上并垂直于光軸；面陣半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的多模激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡陣列2準(zhǔn)直后平行入射，再經(jīng)第一微透鏡陣列3將激光光束均勻地分成多個(gè)子光束并聚焦于后焦面上，再經(jīng)第二微透鏡陣列4和慢軸場(chǎng)鏡5和快軸場(chǎng)鏡6將每一子光束疊加于場(chǎng)鏡的后焦面，即照明面上。所述第一微透鏡陣列3和第二微透鏡陣列4的參數(shù)完全相同，分別由多個(gè)相同的柱型菲涅耳衍射微透鏡7緊密排列而成。菲涅耳衍射微透鏡7如圖2所示。所述第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4之間的間距為一個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡7的焦距，即第一微透鏡陣列3位于第二微透鏡陣列4的前焦面上。所述第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4的朝向?yàn)橥蚍胖?，或背向放置，即第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4分別具有階梯相位結(jié)構(gòu)的兩個(gè)面同時(shí)指向光軸的正方向，或一個(gè)面朝光軸正方向，另一個(gè)面朝光軸負(fù)方向。由多個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡7組成柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列，使用一組所述的柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，或使用兩組所述的柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，都能使面陣半導(dǎo)體激光光束勻化。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7的數(shù)量由其口徑及入射光束的大小的決定，即柱型菲涅耳衍射微透鏡7的數(shù)量等于入射光束的大小除以柱型菲涅耳衍射微透鏡7的口徑。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7具有相同的口徑、相位臺(tái)階數(shù)、刻蝕深度、焦距等結(jié)構(gòu)參數(shù)。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7的相位臺(tái)階數(shù)為2K，其中K為制作柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列的掩膜板數(shù)(K = 2,3,4,5,6);當(dāng)取K = 3或4，此時(shí)衍射效率的理論值達(dá)95%或98%，K值越大，衍射效率越高，加工難度也相應(yīng)增大。由于柱型菲涅耳衍射微透鏡7的口徑很小，其內(nèi)部的光場(chǎng)分布相對(duì)是比較均勻的，所有被分割的波前都均勻的疊加在一起，從而達(dá)到光束勻化的目的。柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列設(shè)計(jì):柱型菲涅耳衍射微透鏡7是基于菲涅耳波帶片的近場(chǎng)衍射，將其圖形制作成多階相位結(jié)構(gòu)。由標(biāo)量衍射理論可知，柱型菲涅耳衍射微透鏡7可近似看成是折射透鏡的相位量化形貌，不同的是其作用機(jī)理是衍射而不是折射，這就意味著出射波前只由器件的橫向尺寸決定，而與縱向尺寸無(wú)關(guān)。因此，只要圖形發(fā)生和光刻工藝過(guò)程足夠精確，當(dāng)用平面波照射微透鏡陣列時(shí)就能產(chǎn)生完善的球面波，不會(huì)因器件相位的多臺(tái)階結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生任何形變。同理，器件的幾何光學(xué)參數(shù)(如焦距等)也不會(huì)因相位的多臺(tái)階結(jié)構(gòu)而改變。如圖2 —個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡7的y-z面視圖所示。柱型菲涅耳衍射微透鏡7的陣列設(shè)計(jì)方法如下:首先根據(jù)柱型菲涅耳衍射微透鏡7所要求的焦距f，衍射效率n，以及第一透鏡陣列3、第二透鏡陣列4的最大孔徑L，計(jì)算相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)N為臺(tái)階數(shù)，r■為第n個(gè)環(huán)帶第m階梯的半徑，\為入射波長(zhǎng)，m為階梯的個(gè)數(shù)，n為環(huán)帶的個(gè)數(shù)，圖3中r為柱型菲涅耳衍射微透鏡7的半口徑。由圖3柱型菲涅耳衍射微透鏡7的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖可知，
權(quán)利要求
1.一種對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化處理的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)主要構(gòu)成為:面陣半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡，其中:面陣半導(dǎo)體激光器位于準(zhǔn)直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導(dǎo)體激光器輸出激光束為系統(tǒng)光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多模激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡陣列準(zhǔn)直后平行入射，再經(jīng)第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個(gè)子光束并聚焦于后焦面上，再經(jīng)第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡將每一子光束疊加于場(chǎng)鏡的后焦面，即照明面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，第一微透鏡陣列與第二微透鏡陣列由多個(gè)相同的柱型菲涅耳衍射微透鏡緊密排列構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列之間的間距為柱型菲涅耳衍射微透鏡的焦距，即第一微透鏡陣列位于第二微透鏡陣列的前焦面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的朝向?yàn)橥蚍胖?，或背向放置，即第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列分別具有階梯相位結(jié)構(gòu)的兩個(gè)面同時(shí)指向光軸的正方向，或一個(gè)面朝光軸正方向，另一個(gè)面朝光軸負(fù)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的y軸分別與面陣半導(dǎo)體激光束的快軸方向一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列由多個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡組成兩組柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，或第一微透鏡陣列由多個(gè)柱型菲涅耳衍射微透鏡組成一組柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，都能使面陣半導(dǎo)體激光光束達(dá)到勻化。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡的數(shù)量由其口徑及入射光束的大小的決 定。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡具有相同的口徑、相位臺(tái)階數(shù)、刻蝕深度、焦距等結(jié)構(gòu)參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡的相位臺(tái)階數(shù)為2K，其中K為制作柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列的掩膜板數(shù)，K = 2，3，4，5，6 ;當(dāng)取K=3或4，此時(shí)衍射效率的理論值達(dá)95%或98%。
全文摘要
本發(fā)明為一種對(duì)面陣半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行勻化處理的光學(xué)系統(tǒng)，含有面陣半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡、快軸場(chǎng)鏡，面陣半導(dǎo)體激光器位于微準(zhǔn)直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導(dǎo)體激光器輸出激光束為系統(tǒng)光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多模激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡陣列準(zhǔn)直后平行入射，再經(jīng)第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個(gè)子光束并聚焦于后焦面上，再經(jīng)第二微透鏡陣列、慢軸場(chǎng)鏡和快軸場(chǎng)鏡將每一子光束疊加于場(chǎng)鏡的后焦面，即照明面上。本發(fā)明用柱形菲涅耳衍射微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光光束的勻化，提高光束的質(zhì)量。
文檔編號(hào)G02B27/09GK103246066SQ20131018481
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者周崇喜, 劉志輝, 楊歡, 邱傳凱 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所