[发明专利]一种实现飞秒激光长焦深的折衍混合元件的设计方法

说明书

技术领域：

本发明涉及激光领域，具体为激光光束整形领域。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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，本发明的设计步骤如下：

(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P_r(r)为入射光在元件表面的能量密度，P_z(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