專利名稱：一種對面陣半導體激光光束進行勻化處理的光學系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光技術領域，特別是涉及一種利用多個柱型菲涅耳微透鏡組成的陣列對面陣半導體激光光束進行勻化的光學系統。
背景技術：
半導體激光器廣泛地應用于焊接、退火、切割、打孔、微細加工以及軍事、醫(yī)療等各個領域，對激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及穩(wěn)定性有著很高的要求。因此，對半導體激光光束進行勻化處理已成為了一種必要的技術手段。目前，半導體激光光束勻化的方法主要有兩種:一種是波導方法，另一種是微透鏡陣列法。前者不受入射光束的能量分布及隨時波動的影響，但勻化后光束的光亮度低，且系統部件多，體積大，不容易集成組裝。后者主要由準直透鏡，非球面微透鏡陣列，傅里葉透鏡組成，系統部件少，體積小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透鏡陣列非常困難，且生產成本很高。此外普通的折射型非球面微透鏡由于工藝限制，其口徑單元很難實現微型化且存在過渡區(qū)域，因而導致能量利用率較低，均勻性較差。在保證光束均勻性的前提下，若能降低制造微透鏡陣列的工藝難度及生產成本，則微透鏡陣列激光光束勻化系統更加具有實用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提高面陣半導體激光光束的均勻性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工藝難度及生產成本，提高微透鏡陣列激光勻化系統的實用性。為了解決上述問題，提出了一種利用柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列對面陣半導體激光光束進行勻化的光學系統。 所述光學系統主要構成有:面陣半導體激光器、準直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡、快軸場鏡；面陣半導體激光器位于微準直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導體激光器輸出激光束為系統光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導體激光器發(fā)出的多模激光光束經準直透鏡陣列準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明采用柱型菲涅耳衍射微透鏡組成的陣列對面陣半導體激光光束進行勻化，使焦平面上的光斑均勻性達到了 8.3 %，衍射效率達到了 94.4%，有效地實現了對激光光束的勻化，相對波導勻化系統和非球面微透鏡陣列勻化系統，縮小了分割微透鏡的口徑，對入射激光光束的分割次數增多，每次分割的面積減小，從而提高了勻化光束的均勻性；柱型菲涅耳微透鏡陣列沒有過渡區(qū)，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透鏡陣列制作簡單精確，降低了制作微透鏡陣列的工藝難度及生產成本，很大程度上提高了微透鏡陣列勻化系統的實用性。


圖1a和圖1b是含有第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列的面陣半導體激光光束勻化系統原理圖；圖2是一個柱型菲涅耳衍射微透鏡y_z面視圖；圖3是柱型菲涅耳衍射微透鏡結構參數示意圖；圖4a_圖4c是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統ZEMAX模擬結果；圖5是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統MATLAB數值模擬結果；圖6a和圖6b是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構成的面陣半導體激光光束勻化系統原理圖；圖7a_圖7c是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構成的面陣半導體激光光束勻化系統ZEMAX模擬結果；圖8是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統MATLAB數值模擬結果。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實例中的 附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。如圖la、圖1b所示柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列激光光束勻化系統設計。系統含有:面陣半導體激光器1、準直鏡陣列2、第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場鏡5和快軸場鏡6。面陣半導體激光器I位于微準直鏡陣列2的前焦面上，并以面陣半導體激光器I輸出激光束為系統光軸。第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場鏡5和快軸場鏡6依序位于光軸上并垂直于光軸；面陣半導體激光器I發(fā)出的多模激光光束經準直透鏡陣列2準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列3將激光光束均勻地分成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列4和慢軸場鏡5和快軸場鏡6將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。所述第一微透鏡陣列3和第二微透鏡陣列4的參數完全相同，分別由多個相同的柱型菲涅耳衍射微透鏡7緊密排列而成。菲涅耳衍射微透鏡7如圖2所示。所述第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4之間的間距為一個柱型菲涅耳衍射微透鏡7的焦距，即第一微透鏡陣列3位于第二微透鏡陣列4的前焦面上。所述第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4的朝向為同向放置，或背向放置，即第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4分別具有階梯相位結構的兩個面同時指向光軸的正方向，或一個面朝光軸正方向，另一個面朝光軸負方向。由多個柱型菲涅耳衍射微透鏡7組成柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列，使用一組所述的柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，或使用兩組所述的柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，都能使面陣半導體激光光束勻化。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7的數量由其口徑及入射光束的大小的決定，即柱型菲涅耳衍射微透鏡7的數量等于入射光束的大小除以柱型菲涅耳衍射微透鏡7的口徑。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7具有相同的口徑、相位臺階數、刻蝕深度、焦距等結構參數。所述柱型菲涅耳衍射微透鏡7的相位臺階數為2K，其中K為制作柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列的掩膜板數(K = 2,3,4,5,6);當取K = 3或4，此時衍射效率的理論值達95%或98%，K值越大，衍射效率越高，加工難度也相應增大。由于柱型菲涅耳衍射微透鏡7的口徑很小，其內部的光場分布相對是比較均勻的，所有被分割的波前都均勻的疊加在一起，從而達到光束勻化的目的。柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列設計:柱型菲涅耳衍射微透鏡7是基于菲涅耳波帶片的近場衍射，將其圖形制作成多階相位結構。由標量衍射理論可知，柱型菲涅耳衍射微透鏡7可近似看成是折射透鏡的相位量化形貌，不同的是其作用機理是衍射而不是折射，這就意味著出射波前只由器件的橫向尺寸決定，而與縱向尺寸無關。因此，只要圖形發(fā)生和光刻工藝過程足夠精確，當用平面波照射微透鏡陣列時就能產生完善的球面波，不會因器件相位的多臺階結構而產生任何形變。同理，器件的幾何光學參數(如焦距等)也不會因相位的多臺階結構而改變。如圖2 —個柱型菲涅耳衍射微透鏡7的y-z面視圖所示。柱型菲涅耳衍射微透鏡7的陣列設計方法如下:首先根據柱型菲涅耳衍射微透鏡7所要求的焦距f，衍射效率n，以及第一透鏡陣列3、第二透鏡陣列4的最大孔徑L，計算相應的結構參數。設N為臺階數，r■為第n個環(huán)帶第m階梯的半徑，\為入射波長，m為階梯的個數，n為環(huán)帶的個數，圖3中r為柱型菲涅耳衍射微透鏡7的半口徑。由圖3柱型菲涅耳衍射微透鏡7的結構參數示意圖可知，
權利要求
1.一種對面陣半導體激光光束進行勻化處理的光學系統，其特征在于:所述光學系統主要構成為:面陣半導體激光器、準直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡，其中:面陣半導體激光器位于準直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導體激光器輸出激光束為系統光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導體激光器發(fā)出的多模激光光束經準直透鏡陣列準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。
2.根據權利要求1所述的光學系統，其特征在于，第一微透鏡陣列與第二微透鏡陣列由多個相同的柱型菲涅耳衍射微透鏡緊密排列構成。
3.根據權利要求2所述的光學系統，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列之間的間距為柱型菲涅耳衍射微透鏡的焦距，即第一微透鏡陣列位于第二微透鏡陣列的前焦面上。
4.根據權利要求1所述的光學系統，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的朝向為同向放置，或背向放置，即第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列分別具有階梯相位結構的兩個面同時指向光軸的正方向，或一個面朝光軸正方向，另一個面朝光軸負方向。
5.根據權利要求1所述的光學系統，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列的y軸分別與面陣半導體激光束的快軸方向一致。
6.根據權利要求1所述的光學系統，其特征在于，所述第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列由多個柱型菲涅耳衍射微透鏡組成兩組柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，或第一微透鏡陣列由多個柱型菲涅耳衍射微透鏡組成一組柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列作為勻化器，都能使面陣半導體激光光束達到勻化。
7.根據權利要求2所述的光學系統，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡的數量由其口徑及入射光束的大小的決 定。
8.根據權利要求2所述的光學系統，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡具有相同的口徑、相位臺階數、刻蝕深度、焦距等結構參數。
9.根據權利要求2所述的光學系統，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透鏡的相位臺階數為2K，其中K為制作柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列的掩膜板數，K = 2，3，4，5，6 ;當取K=3或4，此時衍射效率的理論值達95%或98%。
全文摘要
本發(fā)明為一種對面陣半導體激光光束進行勻化處理的光學系統，含有面陣半導體激光器、準直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡、快軸場鏡，面陣半導體激光器位于微準直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導體激光器輸出激光束為系統光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導體激光器發(fā)出的多模激光光束經準直透鏡陣列準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。本發(fā)明用柱形菲涅耳衍射微透鏡陣列實現對半導體激光光束的勻化，提高光束的質量。
文檔編號G02B27/09GK103246066SQ20131018481
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權日2013年5月17日
發(fā)明者周崇喜, 劉志輝, 楊歡, 邱傳凱 申請人:中國科學院光電技術研究所