專利名稱：衍射-折射構(gòu)形復(fù)合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)、大功率激光器進(jìn)行工業(yè)加工的技術(shù)領(lǐng)域。
激光加工中常使用多模、非穩(wěn)、大功率激光器，其輸出光束形狀多為園形，強(qiáng)度分布多為中心強(qiáng)周邊弱的準(zhǔn)高斯型。由于不同的加工目的，對(duì)象和工藝，需要對(duì)上述光束的形狀和強(qiáng)度分布進(jìn)行修改變換，使其調(diào)整后滿足特定的要求。
在實(shí)現(xiàn)上述目的的現(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>，中介紹的采用非球面或異形面形鏡的，但該類變換鏡較難制作，也不易對(duì)光束進(jìn)行精確，復(fù)雜的變換也有如文獻(xiàn)《計(jì)算機(jī)制全息圖》清華大學(xué)出版，1984，P91-165中所述采用全息圖和計(jì)算全息圖的，但該類器件光能轉(zhuǎn)換率不夠高另一種是如文獻(xiàn)陳巖松《物理》，21，(1992)，197中介紹的二元光學(xué)器件，該類器件是在合適的(例如具有一定的透過(guò)率)的光學(xué)片基的表面(一或二面)經(jīng)蝕刻制成多深度級(jí)的臺(tái)階分布(通常呈矩形或圓環(huán)形)，從而制成一種純衍射構(gòu)形的變換器，但該變換器在制作時(shí)，其局部區(qū)域內(nèi)的臺(tái)階寬度常要求過(guò)細(xì)，致使目前的蝕刻工藝無(wú)法做到(目前國(guó)內(nèi)最小2μm，國(guó)外0.2μm)，這使其對(duì)光束變換的精確性與任意性受限制。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述純衍射式構(gòu)形二元光學(xué)變換器的不足之處，為了使變換鏡能將多模、非穩(wěn)、大功率的激光束變換成形狀和強(qiáng)度分布滿足特定要求的光束，而且衍射構(gòu)形結(jié)構(gòu)中的臺(tái)階刻蝕寬度降低到工藝所允許的水平，并同時(shí)具有較好的消色差性能，從而提供一種由一部分是折射式構(gòu)形的鏡子，另一部分是衍射式構(gòu)形鏡子組成衍射一折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的選用對(duì)于待變換光束的波長(zhǎng)有良好透過(guò)率的材料做光學(xué)片基，基片的一面用普通光學(xué)加工技術(shù)磨成曲率為R的球面，片基的另一面用微電子刻蝕技術(shù)制成具有2-64個(gè)深度等級(jí)的矩形臺(tái)階分布，深度等級(jí)數(shù)愈多，則衍射效率愈高。這些微小臺(tái)階由于其高度不同，使自然組成眾多的階梯，而各階梯的位置和形狀也依具體的光束變換要求而定。
當(dāng)待變換光束通過(guò)折射面的折射和衍射面的衍射后，即產(chǎn)生設(shè)計(jì)所要求的波面位相改變，形成形狀和強(qiáng)度分布預(yù)定的目標(biāo)光束；當(dāng)待變換光束是非穩(wěn)光束時(shí)，變換后的目標(biāo)光束的光斑形狀電相對(duì)穩(wěn)定。
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(shuō)明


圖1是制備衍射-折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡的衍射構(gòu)形部分時(shí)進(jìn)行微電子蝕刻所用的一套共四張(按順序?yàn)?br> 圖1中1、2、3、4)掩模的示意圖；圖2是衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡沿其XOZ平面的剖面視圖(圖中5是階梯，6是球面，7是臺(tái)階狀側(cè)面)；圖3是衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡沿其YOZ平面的剖面視圖(圖中8是階梯，9是球面，10是臺(tái)階狀側(cè)面)；
圖4是衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡的工作示意圖。
圖5是衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例1，取一塊砷化鎵基片，其一面磨成曲率為R的球面，另一面按
圖1的掩模版1、2、3、4的順序用微電子學(xué)工藝對(duì)基片進(jìn)行四次刻蝕，得到其具有16個(gè)深度等級(jí)的水平分布臺(tái)階，其縱向結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示的特定階梯狀構(gòu)造形成衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡。該變換鏡具有如下特征1、對(duì)通過(guò)片基刻蝕區(qū)中心且相互垂直的兩平面(即上述XOZ、YOZ平面)成面對(duì)稱分布。
2、各階梯的臺(tái)階狀側(cè)面都朝向?qū)ΨQ面。
3、圖2與圖3中階梯的位置和形狀不相同。
按圖4位置放置該變換鏡，待變換光束(圖中13)從一側(cè)入射，經(jīng)變換鏡(圖中11)變換，出射得到目標(biāo)光束(圖中12)，其形狀為長(zhǎng)方形，強(qiáng)度分布為中部平緩周邊強(qiáng)。
圖5是第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其有兩個(gè)部件組成，一部分是用鍺片基，一面刻蝕有如圖2和圖3中所描繪的位置分布和構(gòu)造特征的階梯分布的平面形薄片(圖中14，其中16是刻蝕有衍射結(jié)構(gòu)的表面)為衍射部件，另一部分是一平凸形球面透鏡，為折射部件(圖中15)，兩部分的平面相互膠合，組成衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡。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，從而降低造價(jià)；另外折射部分可通過(guò)材料的選擇使其具有與衍射部件相反的色散，這樣兩部件復(fù)合后，色散互補(bǔ)抵消(或部分抵消)，提高變換鏡消色差性能，增加工作帶寬。
圖6是第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其特征是衍射部件(圖中17)和折射部件(圖中18)分離，使用時(shí)共于光軸上放置，這種結(jié)構(gòu)的好處除衍射部件可使用復(fù)制片，折射部件可選用反色散材料，折射部件還可采用雙凸球面透鏡，另外兩部件之間距離可變化，增加了使用時(shí)的靈活性，也能進(jìn)一步改善對(duì)多模光束的適用性。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、與具有非球面或異形面面形的變換鏡相比，本實(shí)用新型所述的衍射—折射構(gòu)形復(fù)合式變換鏡是一種結(jié)構(gòu)精細(xì)的光學(xué)器件，(階梯高度與光波長(zhǎng)同量級(jí))，因此可對(duì)光束進(jìn)行精確、復(fù)雜地變換另制作也較易；當(dāng)衍射構(gòu)形部件采用復(fù)制技術(shù)(例如模壓)制作時(shí)，可使器件造價(jià)低廉。
2、與全息圖和計(jì)算全息圖類變換器相比，本實(shí)用新型所述的變換鏡是一種純位相變換器件，其光能轉(zhuǎn)換效率高。
3、與純衍射型變換器件相比，本實(shí)用新型所述的變換鏡易制作(或能夠制作)，因加上折射作用后，可使衍射構(gòu)形面的臺(tái)階寬度變寬，從而降低對(duì)刻蝕細(xì)度的要求，從而在技術(shù)上可以刻蝕；而折射構(gòu)形面面形是球面，這也不難制作，另外折射構(gòu)件可通過(guò)材料的選擇等使其增加與衍射構(gòu)件的色散相反的色散，這樣當(dāng)兩部件復(fù)合時(shí)，色散互補(bǔ)抵消(或部分抵消)，提高器件消色差性能，增加其工作帶寬。
權(quán)利要求1.一種包括在一塊光學(xué)片基刻蝕臺(tái)階的衍射-折射激光光束變換鏡，其特征在于還包括在另一塊光學(xué)片基磨成曲率為R的球面，兩部分平面相對(duì)膠合在一起組成。
2.按權(quán)利要求1所述的衍射一折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡，其特征在于把一塊已刻蝕臺(tái)階的光學(xué)片基的另一面磨成曲率為R的球面做成。
3.按權(quán)利要求1所述的衍射一折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡，其特征在于把一塊已刻蝕好臺(tái)階的光學(xué)片基與另一塊磨成曲率為R的光學(xué)片基，平面相對(duì)共置于同一光軸上組成。
4.按權(quán)利要求1、2、3所述的衍射一折射構(gòu)形復(fù)合式激光光束變換鏡，其特征在于在光學(xué)片基上刻蝕臺(tái)階是2-64個(gè)。
專利摘要本實(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)、大功率激光器進(jìn)行工業(yè)加工的技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)特征是由衍射構(gòu)形部分(或構(gòu)件)與折射構(gòu)形部分(或部件)兩部分復(fù)合而組成。其衍射構(gòu)形部分(或構(gòu)件)用于精確變換光束，折射構(gòu)形部分(或構(gòu)件)用于降低衍射構(gòu)形部分的制作難度，并起到補(bǔ)償消色差作用。本實(shí)用新型制作簡(jiǎn)單、造價(jià)低、其光能轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號(hào)B23K26/06GK2251459SQ9424824
公開(kāi)日1997年4月9日 申請(qǐng)日期1994年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月26日
發(fā)明者陳巖松, 李德華, 柳尚青 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所