一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用，属于激光束整形技术领域，包括柔性可调节薄膜及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅或菲涅尔波带片；柔性可调节薄膜为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；衍射光栅位于柔性可调节薄膜内部，菲涅尔波带片位于柔性可调节薄膜的表面，均起到衍射光线作用，本发明专利技术采用“飞秒激光直写”技术在柔性可调节薄膜内部制备光栅/菲涅尔波带片结构；通过机械拉伸方式，可以快速驱动光栅、菲涅尔波带片的周期结构变化，从而得到可以灵活实现对激光光束整形的柔性可调节衍射光学元件。制备的光学元件具有结构稳定，不易受外界环境影响、可自由调控衍射元件光学性能等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种可连续对激光进行整形的柔性衍射光学元件，属于激光束整形
，具体涉及柔性可调节衍射光学元件、制备方法及应用，适用于微型光谱仪、扫描仪、光通信及半导体激光器等激光应用领域。
技术介绍
早在1665年，弗朗西斯科·格里马第(FrancescoGrimaldi)就发现并定义了光的衍射效应。17世纪时，苏格兰科学家詹姆斯·格雷戈里(JamesGregory)通过在羽毛间观察阳光的衍射现象，首次发现了光栅的衍射原理。瑞利勋爵(LordRayleigh)在1871年首次使用了振幅型菲涅尔波带片，标志着人类开始有目的地利用光的波动理论设计元件并调整光场的分布。衍射光学元件具有体积小、质量轻、造价低、可设计自由度多、可选择材料种类广泛等一系列优点，并能够实现传统光学器件所难以达到的小型化、阵列化、集成化及任意波面变换等功能。激光是20世纪以来人类又一伟大专利技术，被广泛应用在工业加工、生物医疗、科学研究、信息技术和国防军事等领域。激光腔发射的光束截面通常呈高斯分布并且以双曲线方式传播，这极大地限制了激光的应用。在激光印刷、激光投影、全息术等实际应用中往往需要激光光强均匀分布的光束。因此，对激光束进行整形具有重要的研究价值。衍射光学元件能够改变输入光束的相位，得到所需要的光强分布，并且具有较高的能量利用率。利用衍射光学元件对激光光束进行整形是一种理想的方式，并在许多方面具有广泛的应用前景，如激光束均匀化、像差校正、激光分束等。科学家们也对使用衍射光学元件对激光光束进行整形展开了大量的研究。吉林大学的姜瞳等人利用飞秒激光直写聚合物的加工方式制备了多阶非对称整形波带片结构。用于对边发射式半导体激光器的出射光束进行整形，从而提高光束质量。这种加工方式具有真三维、可设计、易于集成等的优点，能够灵活设计具有不同性能的衍射光学元件。该团队所采用的这种结构，具有良好的稳定性。与边发射式半导体激光器集成后，在后期的使用过程中无需校准和维护，尤其适用于小型独立的光学系统。仅需要针对不同边发射式半导体激光器出射光束的发散角单独设计校正元件即可。2017年中国科学院的Zhi-TaoZhou等人利用压印转写辅助光刻的方式制备了基于功能化丝素蛋白薄膜的衍射元件，实现了对入射激光的分束。由于采用的原料是一种天然的生物高聚物，所制备的衍射传感元件有望应用在生物体内药物释放的监测中。但这种材料对水和气体具有渗透性，易于吸收空气中的水分。受水汽的影响，其表面的结构会发生膨胀/收缩，降低光学元件在大气环境中进行长时间测量工作的稳定性。2019年北京理工大学的JiHuang等人利用湿法刻蚀辅助激光直写的加工方式在半导体材料表面制备了具有明显分光特性的衍射光栅。在刻蚀溶液中，激光改性后的区域的刻蚀速率大于未改性区域。该团队通过精确地控制光栅垂直浸入刻蚀溶液的速率，改变器件上不同区域光栅的刻蚀时间。通过这种方式，灵活地将具有不同光栅周期的衍射结构集成在同一光学元件上。在不改变入射光衍射角度的情况下，实现了反射式衍射光栅衍射效率的调节。但是由于光栅的周期呈近似线性的分布，这可能会在一定程度上影响单色光在特定角度下衍射效率的精确测量。目前常用于激光束整形的衍射元件多制备在无法折叠，不可拉伸的刚性材料表面，无法满足智能化光学系统在微型化、可控化、集成化方面的需求。如何高效率、大面积、均匀地实现可调节衍射光学元件的制备成为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题是：提供一种柔性可调节的衍射光学元件。采用“飞秒激光直写”技术在柔性可调节薄膜内部制备光栅/菲涅尔波带片结构；通过机械拉伸的方式，可以快速驱动光栅、菲涅尔波带片的周期结构变化，从而得到可以灵活实现对激光光束整形的柔性可调节衍射光学元件。本专利技术通过如下技术方案实现：一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，包括柔性可调节薄膜1及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅2或菲涅尔波带片3；所述的柔性可调节薄膜1为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；所述的衍射光栅2位于柔性可调节薄膜1内部，起到衍射光线，改变入射激光束传播方向的作用；所述的菲涅尔波带片3位于柔性可调节薄膜的表面，起到衍射光线，改变入射激光束聚焦光斑形貌的作用。进一步地，所述的柔性可调节薄膜1为固化的PDMS薄膜，厚度为700-800μm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的衍射光栅2由激光改性线组成，其周期为3-10μm、长度为1-3mm，宽度为1-3mm，其距离柔性可拉伸薄膜1的表面50-200μm；所述的菲涅尔波带片3由激光改性环带组成，其直径为200-300μm，位于柔性可拉伸薄膜1的表面。进一步地，所述的衍射光栅2的一阶衍射角可调节范围为7.36±0.17°-5.08±0.1°、二阶衍射角可调节范围为14.75±0.13°-10.12±0.2°、三阶衍射角可调节范围为22.39±0.17°-15.41±0.24°；所述的菲涅尔波带片3的可拉伸到原有尺寸的107.29％，并在子午面和弧矢面分别对入射光束进行聚焦。一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，具体步骤如下：(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可拉伸薄膜；具体步骤为：配置预聚物，并将其旋涂、匀胶、固化，最终得到柔性可拉伸薄膜；(2)、飞秒激光直写加工衍射光学元件：具体步骤为：所用激光为脉冲飞秒激光，所用加工材料为步骤(1)制备的柔性可拉伸薄膜，采用逐线扫描的方式进行激光加工；首先，依据所设计的衍射光学元件的结构建立与之对应的激光加工数据，即使用MATLAB、VisualBasic或C语言软件编写出衍射光学元件的三维空间坐标；然后，将衍射光学元件的坐标数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时将激光焦点聚焦到PDMS薄膜内部或薄膜表面，选定初始加工位置，进行逐线扫描；最后，得到与坐标数据对应的衍射光学元件；所述衍射光学元件为衍射光栅2或菲涅尔波带片3；(3)、机械拉伸调节衍射光学元件的光学性能；通过机械拉伸的方式调节衍射光栅2的衍射角：首先，两个干板夹分别固定加工有光栅结构的柔性可调节薄膜的两端；接下来将两个干板夹分别固定在两组一维位移平台上；然后，调节两组一维位移台水平方向上的位置，对柔性光栅进行拉伸，改变光栅常数，实现光栅衍射角的变化；最后，当柔性可调节衍射光栅的衍射角满足目标值时，固定两组位移台的位置，此时便得到了所需的衍射光学元件；通过机械拉伸的方式调节菲涅耳波带片3的焦点：首先，两个干板夹分别固定加工有菲涅尔波带片结构的柔性可调节薄膜的两端；接下来将两个干板夹分别固定在两组一维位移平台上；然后，调节两组一维位移台水平方向上的位置，对柔性菲涅尔波带片进行拉伸，实现菲涅尔波带片聚焦焦点的变化；最后，当柔性可调节菲涅尔波带片的衍射角满足目标值时，固定两组位移台的位置，此时便得到了所需的衍射光学元件；进一步地，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，包括柔性可调节薄膜(1)及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅(2)或菲涅尔波带片(3)；/n所述的柔性可调节薄膜(1)为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；/n所述的衍射光栅(2)位于柔性可调节薄膜(1)内部，起到衍射光线，改变入射激光束传播方向的作用；/n所述的菲涅尔波带片(3)位于柔性可调节薄膜的表面，起到衍射光线，改变入射激光束聚焦光斑形貌的作用。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，包括柔性可调节薄膜(1)及衍射光学元件，所述衍射光学元件为衍射光栅(2)或菲涅尔波带片(3)；
所述的柔性可调节薄膜(1)为衍射光学元件提供稳定的支撑及调节；
所述的衍射光栅(2)位于柔性可调节薄膜(1)内部，起到衍射光线，改变入射激光束传播方向的作用；
所述的菲涅尔波带片(3)位于柔性可调节薄膜的表面，起到衍射光线，改变入射激光束聚焦光斑形貌的作用。


2.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，所述的柔性可调节薄膜(1)为固化的PDMS薄膜，厚度为700-800mm、长度为70-80mm、宽度为20-30mm；所述的衍射光栅(2)由激光改性线组成，其周期为3-10m、长度为1-3mm，宽度为1-3mm，其距离柔性可拉伸薄膜1的表面50-200m；所述的菲涅尔波带片(3)由激光改性环带组成，其直径为200-300m，位于柔性可拉伸薄膜1的表面。


3.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件，其特征在于，所述的衍射光栅(2)的一阶衍射角可调节范围为7.36±0.17°-5.08±0.1°、二阶衍射角可调节范围为14.75±0.13°-10.12±0.2°、三阶衍射角可调节范围为22.39±0.17°-15.41±0.24°；所述的菲涅尔波带片(3)的可拉伸到原有尺寸的107.29％，并在子午面和弧矢面分别对入射光束进行聚焦。


4.如权利要求1所述的一种用于激光光斑整形的柔性可调节衍射光学元件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、匀胶辅助热固化制备柔性可拉伸薄膜；
具体步骤为：配置预聚物，并将其旋涂、匀胶、固化，最终得到柔性可拉伸薄膜；
(2)、飞秒激光直写加工衍射光学元件：
具体步骤为：所用激光为脉冲飞秒激光，所用加工材料为步骤(1)制备的柔性可拉伸薄膜，采用逐线扫描的方式进行激光加工；首先，依据所设计的衍射光学元件的结构建立与之对应的激光加工数据，即使用MATLAB、VisualBasic或C语言软件编写出衍射光学元件的三维空间坐标；然后，将衍射光学元件的坐标数据导入到飞秒激光直写系统的控制电脑中，同时将激光焦点聚焦到PDMS薄膜内部或薄膜表面，选定初始加工位置，进行逐线扫描；最后，得到与坐标数据对应的衍射光学元件；所述衍射光学元件为衍射光栅(2)或菲涅尔波带片(3)；
(3)、机械拉伸调节衍射光学元件的光学性能；
通过机械拉伸的方式调节衍射光栅(2)的衍射角：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，曹嘉冀，田振男，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22