一种实现飞秒激光长焦深的折衍混合元件的设计方法技术

一种实现飞秒激光长焦深的折衍混合元件的设计方法，涉及激光光束整形领域。本发明专利技术公开了一种可以实现800nm飞秒激光光束长焦深的折衍混合元件设计方法。该元件由平凸透镜基底和二元微结构衍射光学表面两部分组成，结构示意如图1所示，(1)为平凸透镜基底，(2)为二元微结构衍射光学表面。800nm飞秒激光光束通过元件，平凸透镜承担系统的光焦度，微结构衍射光学表面用于调整光场分布，最终可得到长焦深、小焦斑的激光光束。此方法为实现长焦深的飞秒激光微加工透镜提供了可行的设计方案。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及激光领域，具体为激光光束整形领域。
技术介绍
：自1960年激光器问世以来，激光在加工方面的应用不断拓展，特别是在激光打孔、切割、光刻等方面起了非常重要的作用。在激光打孔和切割实验中，光束聚焦后的尺寸及焦深是决定实验准确度和切割精度的关键。相比于传统的加工方法，飞秒激光微加工具有材料适应性广、非接触、无污染、高精度、高效率等优点，对于微纳尺度的高品质加工，飞秒激光加工是一种更加有效的加工手段。因此实现飞秒激光光束的长焦深有着重要的意义。实现长焦深的方法有很多种，主要有以下六种方法：1.传统的方法是通过减小数值孔径来扩展焦深，但是透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系使得分辨率与加工深度很难同时获得提升，增加焦深必然会引起焦斑尺寸的增大。2.利用轴锥镜来实现长焦深，轴锥镜能将入射平面波变换为光强沿轴锥镜光轴成线性分布的锥面波，并且可以无扩散的传播很远的距离。然而形成的锥面波在轴上的光强随传播距离呈线性趋势增长，并伴有激烈振荡。3.无衍射光束实现激光长焦深，如圆锥镜法、无限窄圆法等，但这些方法存在焦深范围不易控制和焦深范围内轴上光强振荡厉害，或者能量利用率低等问题。4.利用能量守恒法设计对数光锥实现无衍射光束，该方法有效增加了焦深，但是焦深范围内的能量利用率太低。5.随着二元光学技术的发展，利用折衍混合光学元件实现长焦深成为人们研究的热点，这一方法是将轴上光强分布作为目标函数，通过采用优化算法求解衍射面的相位分布函数或光强分布函数来获得长焦深。6.波前编码技术，该方法是将光学技术与图像处理相结合的一种扩大焦深的新技术方法。目前，该方法在光学系统中的应用也取得了长足的进展。
技术实现思路
：本专利技术利用折衍混合元件实现800nm飞秒激光光束长焦深，公开该折衍混合元件的设计方法。折衍混合元件的设计基于已成熟的标量衍射理论。该元件由平凸透镜基底和二元微结构衍射光学表面两部分组成，平凸透镜承担系统的光焦度，微结构衍射光学表面用于调整光场分布。设计长焦深折衍混合元件是相位的恢复问题。因此，本专利技术的设计步骤如下：(1)根据所用激光器的参数和设计焦深焦斑的要求确定折衍混合元件的材料、元件初始孔径值、衍射面初始孔径值、元件厚度、入射光场能量分布、出射光场能量分布。(2)计算衍射面初始相位函数矩阵。编写折衍混合元件衍射面初始相位的计算程序，取步骤1中确定的入射光场能量分布、出射光场能量分布作为输入输出光场，计算得到衍射面初始相位函数矩阵。(3)曲线拟合。将衍射面初始相位函数矩阵与光学设计软件Zemax中二元光学元件的相位函数表达式进行拟合，得到衍射面归一化径向孔径坐标的系数值，并将得到的系数值和步骤1中确定的元件材料、元件初始孔径值、衍射面初始孔径值、元件厚度输入Zemax软件中。(4)优化结构参数。提出了一种改进的能量守恒法，根据这种方法编写试用于Zemax软件的宏文件，对元件的孔径值、衍射面孔径值、凸面曲率、元件厚度和二元面归一化径向孔径坐标的系数值进行优化，得到上述元件参数的最终值。所述改进的能量守恒法主要思路如下：设Pr(r)为入射光在元件表面的能量密度，Pz(z)为经过折衍混合元件后出射光在焦深前焦面与光轴交点d1到焦深后焦面与光轴交点d2之间各个平面上的能量密度。设定高斯光束入射到相位器件表面后，出射能量全部集中在侧面高度为d1d2、底面半径为ω的圆柱体内，且在焦深范围内光强分布均匀。下面对核心公式进行推导。设输入光场能量呈高斯分布，其能量密度分布函数为Pr(r)=Pe-2r2ω02---(1)]]>式中ω0为高斯光束束腰半径值；P为输入高斯光束单脉冲最大能量密度值；r为高斯光束半径坐标值。设输出光场能量呈平顶分布，其能量密度为常数，即Pz(z)＝C，为方便计算，一般取值为1。根据能量守恒原理有2∫0xπrPe-2r2ω02dr=∫d1zCπω2zdz---(2)]]>式中ω为出射光束束腰半径值，z为光波在光轴上的传输距离。求解式(2)则可以得到z的表达式z=ω02PCω2(1-e-2x2ω02)+d12---(3)]]>将表达式(3)作为核心公式，将入射光束看做是由很多条光线组成，对每条光线经过元件出射后在光轴上的交点位置坐标进行控制。根据该思路编写适用于Zemax软件的宏文件。首先，设置初值。根据表达式(3)设置编写宏文件所需输入的初值：输入光束束腰半径值ω0、输出光束束腰半径值ω、焦深前焦点在光轴上的位置d1、输入高斯光束单脉冲最大能量密度值P。由于是将入射光束看做是由很多条光线组成，对每条光线经过元件出射后在光轴上的交点位置坐标进行控制。而每条光线的初始位置由在入射光束束腰直径处的垂轴坐标表示，即表达式(3)中的x。因此，为了得到x的取值，设置在入射光束束腰直径内x的抽样个数，并在入射光束束腰直径内进行等距离抽样。然后，编写表达式(3)。最后，优化参数。按照以上两步将宏文件编写完毕后，将其加载到Zemax软件中，利用软件自身的优化功能对元件的孔径值、衍射面孔径值、凸面曲率、元件厚度和二元面归一化径向孔径坐标的系数值进行优化，从而得到元件各参数的最终值。该元件可使出射光束焦深增加到1mm～2mm范围内，焦斑半径大小保持在50μm以内。附图说明：图1折衍混合元件面型示意图图2改进的能量守恒法原理图图3衍射面初始结构函数图图4初始结构的光斑离焦情况图5优化后的光斑离焦情况图6优化后的光斑能量分布图具体实施方案：下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术做进一步说明。设r0为输入光场光斑半径坐标，ri为输出光场光斑半径坐标。本专利技术针对800nm飞秒激光器，该激光器各项参数如表1所示。表1800nm飞秒激光器相关参数根据表1所示参数，可确定折衍混合元件的材料采用BK7玻璃，元件初始孔径值为20mm，衍射面初始孔径值为10mm，元件厚度为2mm。800nm飞秒激光器的输出光斑能量呈高斯分布，选取高斯光束作为GS算法的输入光场，经过传播距离z后其表达式为：E(r0,z)＝A(r0,z)exp(-ikz)   (4)A(r0,z)=A0ω0ω(z)exp[-r02ω2(z)]exp{-i[kr022R(z)-Ψ]本文档来自技高网...

【技术保护点】
实现飞秒激光光束长焦深的折衍混合元件的设计方法，其特征在于步骤如下：(1)根据所用激光器的参数和设计焦深焦斑的要求确定折衍混合元件的材料、元件初始孔径值、衍射面初始孔径值、元件厚度、入射光场能量分布、出射光场能量分布；(2)计算衍射面初始相位函数矩阵：编写折衍混合元件衍射面初始相位的计算程序，取步骤(1)中确定的入射光场能量分布、出射光场能量分布作为输入输出光场，计算得到衍射面初始相位函数矩阵；(3)曲线拟合：将衍射面初始相位函数矩阵与光学设计软件Zemax中二元光学元件的相位函数表达式进行拟合，得到衍射面归一化径向孔径坐标的系数值，并将得到的系数值和步骤(1)中确定的元件材料、元件初始孔径值、衍射面初始孔径值、元件厚度输入Zemax软件中；(4)优化结构参数；设Pr(r)为入射光在元件表面的能量密度，Pz(z)为经过折衍混合元件后出射光在焦深前焦面与光轴交点d1到焦深后焦面与光轴交点d2之间各个平面上的能量密度；设定高斯光束入射到相位器件表面后，出射能量全部集中在侧面高度为d1d2、底面半径为ω的圆柱体内，且在焦深范围内光强分布均匀；下面对核心公式进行推导：设输入光场能量呈高斯分布，其能量密度分布函数为Pr(r)=Pe-2r2ω02---(1)]]>式中ω0为高斯光束束腰半径值；P为输入高斯光束单脉冲最大能量密度值；r为高斯光束半径坐标值；设输出光场能量呈平顶分布，其能量密度为常数，即Pz(z)＝C，为方便计算，C取值为1；根据能量守恒原理有2∫0xπrPe-2r2ω02dr=∫d1zCπω2zdz---(2)]]>式中ω为出射光束束腰半径值，z为光波在光轴上的传输距离；求解式(2)则可以得到z的表达式z=ω02PCω2(1-e-2x2ω02)+d12---(3)]]>编写适用于Zemax软件的宏文件，具体如下：首先，设置初值：根据表达式(3)设置编写宏文件所需输入的初值：输入光束束腰半径值ω0、输出光束束腰半径值ω、焦深前焦点在光轴上的位置d1、输入高斯光束单脉冲最大能量密度值P；由于是将入射光束看做是由很多条光线组成，对每条光线经过元件出射后在光轴上的交点位置坐标进行控制；而每条光线的初始位置由在入射光束束腰直径处的垂轴坐标表示，即表达式(3)中的x；因此，为了得到x的取值，设置在入射光束束腰直径内x的抽样个数，并在入射光束束腰直径内进行等距离抽样；然后，编写表达式(3)；最后，优化参数：按照以上两步将宏文件编写完毕后，将其加载到Zemax软件中，利用软件自身的优化功能对元件的孔径值、衍射面孔径值、凸面曲率、元件厚度和二元面归一化径向孔径坐标的系数值进行优化，从而得到元件各参数的最终值。...

【技术特征摘要】
1.实现飞秒激光光束长焦深的折衍混合元件的设计方法，其特征在于步骤
如下：
(1)根据所用激光器的参数和设计焦深焦斑的要求确定折衍混合元件的材料、
元件初始孔径值、衍射面初始孔径值、元件厚度、入射光场能量分布、出射光场
能量分布；
(2)计算衍射面初始相位函数矩阵：编写折衍混合元件衍射面初始相位的计
算程序，取步骤(1)中确定的入射光场能量分布、出射光场能量分布作为输入
输出光场，计算得到衍射面初始相位函数矩阵；
(3)曲线拟合：将衍射面初始相位函数矩阵与光学设计软件Zemax中二元光
学元件的相位函数表达式进行拟合，得到衍射面归一化径向孔径坐标的系数值，
并将得到的系数值和步骤(1)中确定的元件材料、元件初始孔径值、衍射面初
始孔径值、元件厚度输入Zemax软件中；
(4)优化结构参数；设Pr(r)为入射光在元件表面的能量密度，Pz(z)为经过折
衍混合元件后出射光在焦深前焦面与光轴交点d1到焦深后焦面与光轴交点d2之
间各个平面上的能量密度；设定高斯光束入射到相位器件表面后，出射能量全部
集中在侧面高度为d1d2、底面半径为ω的圆柱体内，且在焦深范围内光强分布均
匀；
下面对核心公式进行推导：
设输入光场能量呈高斯分布，其能量密度分布函数为
Pr(r)=Pe-2r2ω02---(1)]]>式中ω0为高斯光束束腰半径值；P为输入高斯光束单脉冲最大能量密度值；
r为高斯光束半径坐标值...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，梁晓莉，朱航欧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11