一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜及其制备方法，属于激光光束整形领域，全介质超透镜包括：介质衬底层和超表面结构；超表面结构位于介质衬底层一侧表面上，包括多个超表面柱状结构单元，多个超表面柱状结构单元按照四方晶格周期阵列的方式排列，各超表面柱状结构单元的高度相同。基于高斯光、目标平顶光电场强度振幅分布、全介质超透镜输入面和输出面的电场强度分布对超透镜相位进行优化设计，根据优化设计后的相位设计并制备超透镜。超表面结构大大减小光束整形器件的体积，器件厚度可减小至百微米量级，无需增加其他元件，简化光束整形装置，降低装配精度要求，该超透镜具有相位调控精度高的优势，能够实现连续的相位调控。

【技术实现步骤摘要】
一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜及其制备方法
本专利技术属于激光光束整形领域，更具体地，涉及一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜及其制备方法。
技术介绍
激光光束的能量一般服从高斯分布，其能量的非均匀特性会导致局部温度升高而破坏材料，在很多激光应用领域，这种不均匀特性会限制其应用，因此，需要对高斯光束进行整形，得到均匀性好的平顶光束。平顶光束是指在光束传输方向的横截面内有均匀能量密度的激光光束，由于其能量分布均匀的特点，在激光焊接、激光钻孔、激光烧灼、激光医疗、激光显示等领域中有着重要的应用。均匀的光斑可以对工作表面进行均匀的激光处理，避免损伤材料。此外，光斑的尖锐边界可以清晰区分已处理区域和未处理区域。目前实现激光束整形和均匀化的方法主要有非球面透镜法和衍射光学元件法等。非球面透镜法的光束整形系统根据几何光学原理设计，系统中包含一个或多个非球面透镜，其缺点在于体积大、结构复杂、笨重、造价昂贵。衍射光学元件法的光束整形系统根据衍射光学原理设计，系统中通常包含一个衍射光学元件和紧靠衍射光学元件的聚焦透镜，存在衍射光学元件制作工艺较复杂，与折射透镜集成困难，难以降低体积，成本较高等缺点，同时由于多次光刻工艺不够成熟，相位分布需要进行量化设计，难以做到连续的相位变化控制来实现更加精确的波前调控。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜及其制备方法，其目的在于减小光束整形器件的体积和厚度，简化光束整形装置，降低装配精度要求，提高其相位调控精度。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，包括介质衬底层和超表面结构；所述超表面结构位于所述介质衬底层一侧的表面上，包括多个超表面柱状结构单元，所述多个超表面柱状结构单元按照四方晶格周期阵列的方式排列，各所述超表面柱状结构单元的高度相同。更进一步地，各所述超表面柱状结构单元的半径和高度均为亚波长量级。更进一步地，所述介质衬底层的材料为砷化镓、硒化锌或二氧化硅，所述超表面柱状结构单元的材料为砷化镓、锗或硅。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜的制备方法，包括：S1，设置全介质超透镜的初始相位分布；S2，计算高斯光经所述全介质超透镜传输整形后输出面的第一电场强度分布；S3，若所述第一电场强度分布的振幅分布满足预期目标，执行S5；否则，基于目标平顶光电场强度振幅分布和所述第一电场强度分布的相位分布构建输出面的第二电场强度分布，计算所述第二电场强度分布对应的第二输入面电场强度分布；S4，将所述全介质超透镜的相位分布更新为所述第二输入面电场强度分布的相位分布，并重复执行所述S2-S4，直至所述S2中得到的第一电场强度分布的振幅分布满足所述预期目标；S5，根据更新后所述全介质超透镜的相位分布设计所述全介质超透镜中多个超表面柱状结构单元的尺寸及排列方式；S6，根据设计得到的尺寸和排列方式制备所述全介质超透镜。更进一步地，所述第一电场强度分布为：其中，E21(x2，y2)为所述第一电场强度分布，G(x1，y1，x2，y2)为自由空间光由(x1，y1)到(x2，y2)的脉冲响应函数，E11(x1，y1)为所述高斯光在所述全介质超透镜输入面上产生的第一输入面电场强度分布，A1(x1，y1)为所述高斯光的电场强度振幅分布，为所述全介质超透镜的相位分布，为所述高斯光到达全介质超透镜前表面的相位常数，i为虚数单位，(x1，y1)为所述全介质超透镜输入面上的点，(x2，y2)为所述全介质超透镜输出面上的点，λ为所述高斯光的波长，l为(x2，y2)与(x1，y1)之间的长度，k为所述高斯光的波数，θn，l为(x2，y2)与输入面中心的连线和光轴z轴的夹角，ω0为所述高斯光的束腰半径，A1为所述高斯光中心的最大电场强度振幅。更进一步地，所述第二电场强度分布和第二输入面电场强度分布为：其中，E22(x2，y2)为所述第二电场强度分布，E12(x1，y1)为所述第二输入面电场强度分布，A2(x2，y2)为所述目标平顶光电场强度振幅分布，为所述第一电场强度分布的相位分布，G*(x2，y2，x1，y1)为自由空间光由(x2，y2)到(x1，y1)的脉冲响应函数的复数共轭。更进一步地，所述S2之前还包括：根据所述高斯光到达所述全介质超透镜的输入面上的束腰直径和所述全介质超透镜中超表面结构(2)的直径，基于能量守恒定律计算所述目标平顶光电场强度振幅分布。更进一步地，目标平顶光的形状为圆形、椭圆形、长方形、正方形、线形或三角形。更进一步地，所述S5包括：对更新后所述全介质超透镜的相位分布进行内部插值，使得插值后相位分布的离散点与所述超表面柱状结构单元一一对应；仿真获取所述全介质超透镜中超表面柱状结构单元尺寸与相位之间的对应关系；根据插值后相位分布查询所述对应关系，以得到所述多个超表面柱状结构单元的尺寸及排列方式。更进一步地，所述初始相位分布为0或消球差聚焦相位分布。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)提供一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，其超表面结构大大减小了光束整形器件的体积，器件厚度可减小至百微米量级，无需增加其他元件，简化光束整形装置，其平面化的设计使其易于安装，降低装配精度要求，具有直接与激光器集成的潜力；(2)用于实现相位调控的超表面柱状结构单元的尺寸在亚波长量级，单个超透镜即可实现极好的光束整形效果，能够取代目前市面上复杂的光束整形系统，降低系统公差要求，降低成本，容易实现批量化生产；(3)提供一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜的制备方法，根据高斯光、目标平顶光电场强度振幅分布、全介质超透镜输入面和输出面的电场强度分布对超透镜相位进行优化设计，设计精细灵活，提高超透镜的相位调控精度；(4)通过对全介质超透镜的相位分布进行优化设计，能够得到多种不同形状的平顶光，包括圆形、椭圆形、长方形、正方形、线形、三角形等，从而提高其适用领域和适用范围。附图说明图1为本专利技术实施例提供的将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜的结构示意图；图2为图1所示全介质超透镜中一个周期结构的结构示意图；图3为图1所示全介质超透镜中部分微结构的排布图；图4为本专利技术实施例提供的将高斯光整形成平顶光的系统的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜的制备方法的流程图；图6A为本专利技术实施例一中提供的圆形平顶光插值后的二维相位分布图；图6B为本专利技术实施例一中提供的圆形平顶光的二维归一化光强分布图；图6C为本专利技术实施例一中提供的圆形平顶光的一维归一化光强分布图；图7为本专利技术实施例提供的不同直径的超表面柱状结构单元对应的相位改变量和透过率示意图；图8A为本专利技术实施例二中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，其特征在于，包括介质衬底层(1)和超表面结构(2)；/n所述超表面结构(2)位于所述介质衬底层(1)一侧的表面上，包括多个超表面柱状结构单元，所述多个超表面柱状结构单元按照四方晶格周期阵列的方式排列，各所述超表面柱状结构单元的高度相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，其特征在于，包括介质衬底层(1)和超表面结构(2)；
所述超表面结构(2)位于所述介质衬底层(1)一侧的表面上，包括多个超表面柱状结构单元，所述多个超表面柱状结构单元按照四方晶格周期阵列的方式排列，各所述超表面柱状结构单元的高度相同。


2.如权利要求1所述的将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，其特征在于，各所述超表面柱状结构单元的半径和高度均为亚波长量级。


3.如权利要求1或2所述的将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜，其特征在于，所述介质衬底层(1)的材料为砷化镓、硒化锌或二氧化硅，所述超表面柱状结构单元的材料为砷化镓、锗或硅。


4.一种如权利要求1-3任一项所述的将高斯光整形成平顶光的全介质超透镜的制备方法，其特征在于，包括：
S1，设置全介质超透镜的初始相位分布；
S2，计算高斯光经所述全介质超透镜传输整形后输出面的第一电场强度分布；
S3，若所述第一电场强度分布的振幅分布满足预期目标，执行S5；否则，基于目标平顶光电场强度振幅分布和所述第一电场强度分布的相位分布构建输出面的第二电场强度分布，计算所述第二电场强度分布对应的第二输入面电场强度分布；
S4，将所述全介质超透镜的相位分布更新为所述第二输入面电场强度分布的相位分布，并重复执行所述S2-S4，直至所述S2中得到的第一电场强度分布的振幅分布满足所述预期目标；
S5，根据更新后所述全介质超透镜的相位分布设计所述全介质超透镜中多个超表面柱状结构单元的尺寸及排列方式；
S6，根据设计得到的尺寸和排列方式制备所述全介质超透镜。


5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一电场强度分布为：












其中，E21(x2，y2)为所述第一电场强度分布，G(x1，y1，x2，y2)为自由空间光由(x1，y1)到(x2，y2)的脉冲响应函数，E11(x1，y1)为所述高斯光在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：易飞，陈岩，侯铭铭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42