[发明专利]将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光光束整形技术领域，特指一种将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件及其制备方法。

背景技术

目前，激光加工产业尤其是激光打孔设备、激光焊接设备以及激光显示设备的发展对光束质量提出了越来越高的要求，一方面，精细加工要求激光的光斑越来越小，目前激光打孔设备已经能够实现直径数十微米的打孔。另一方面，精细加工要求激光的光斑为平顶分布，而不是高斯分布。所谓平顶分布是指在光斑内部激光能量均匀。高斯分布的特点则是中心能量高，边缘能量小。高斯光束用于打孔会出现中心打孔速度快、边缘打孔速度慢等问题；用于激光焊接则会出现中心焊接充分而边缘焊接不充分等问题。激光显示行业也要求光斑为平顶型光斑。

目前实现高斯转平顶的方法主要有以下几种。

第一种，非曲面透镜。非曲面透镜不同于传统的凹凸透镜，其曲面有特殊的形貌要求。它的优点是能够实现接近百分之百的衍射效率。但加工难度极大，不易批量生产。此外，非曲面透镜只能得到圆形的平顶光斑，因此其应用范围大受限制。

第二种，微透镜阵列。微透镜阵列的原理比较简单。首先使用复眼结构的微透镜将入射光分为若干个分光束，而后使用另一个微透镜将分光束汇聚从而产生平顶光束。微透镜的优点在于可以批量生产，但对工艺要求极高，需要精确并均匀控制各个微透镜的曲率、直径等参数，此外，单个微透镜不能实现平顶光，必须两个结合使用。这对两个微透镜的对准提出了极高要求。

第三种，光阑法。光阑法的原理是使用孔径光阑将高斯光束的边缘部分“截掉”从而得到平顶光束。其优点是简单，缺点在于会损失较多能量。

第四种，衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)整形方法。衍射光学元件利用的是衍射原理，在元件表面制备一定深度的台阶，光束通过时产生不同的光程差，而后发生干涉从而产生平顶光斑。衍射元件实现高斯转平顶的优点在于灵活度高-最终光束的发散角、光斑形貌等等可以灵活控制，难点在于制备工艺复杂。

发明内容

本发明提出一种新的实现高斯转平顶的衍射光学元件，简称DOE。在石英基片中心处制备不同形状、不同尺寸的凹槽或台阶，而后将DOE置于光路中的不同位置，与扩束准直镜以及聚焦透镜配合，实现平顶光束。

本发明提供的技术方案如下：

一种将高斯光束整形为平顶光束的衍射光学元件，所述衍射光学元件简称DOE（结构如图1所示），所述DOE可以将圆形高斯光束整形为正方形或圆形平顶光束，其特征是，

实现正方形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有正方形凹槽或台阶；凹槽或台阶的边长根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定：h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率；

实现圆形平顶光束的DOE结构为石英基片的中心区域有圆柱形凹槽或台阶；凹槽或台阶的直径根据应用要求确定；台阶或凹槽的高度或深度由公式决定h=λ/2*(n-1)，其中，h为台阶高度或凹槽深度，λ为入射激光波长，n为基底折射率。

所述DOE的材料种类为石英玻璃、普通玻璃、ZnSe等。

一种将高斯光束整形为平顶光束的方法，利用所述的DOE将高斯光束整形为平顶光束，包括以下几种方式：

第一种，首先使用扩束准直透镜将激光扩束准直，而后穿过DOE，在整形器件后方放置聚焦透镜并得到平顶光斑；

第二种，将DOE放置在扩束装置之前，在扩束装置后放置聚焦透镜并得到平顶光斑；

第三种，将DOE放到聚焦透镜之前得到平顶光斑；

第四种，将DOE放到扩束准直系统内部，而后放到聚焦透镜之前得到平顶光斑。

所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：

1）根据最终出射光束参数以及入射光束参数进行DOE的设计，生成版图文件以及光刻掩膜版；

2）在石英基片表面旋涂光刻胶，而后利用光刻掩膜版进行光刻，生成光刻胶图形；对于凹槽型DOE，光刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处无光刻胶而其它区域有光刻胶；对于台阶行DOE，刻胶图形化后图形分布为：石英基片中心处有光刻胶而其它区域无光刻胶；

3）利用光刻胶图形为刻蚀掩膜，使用干法刻蚀方法将光刻胶图形转移到石英基片上；

4）将残余的光刻胶去除。

所述的的衍射光学元件的制备方法，包括：