包括感光材料的衍射激光光束均匀器及其制作方法

专利名称：包括感光材料的衍射激光光束均匀器及其制作方法
包括感光材料的衍射激光光束均匀器及其制作方法相关申请的交叉引用同时提交以下两个正规美国专利申请(包括这一个)，并且为了所有目的通过引 用将另一申请的全部公开内容合并到该申请中· 2009 年 8 月 19 日提交的、题为 “Method and System forHomogenizing Diode Laser Pump Arrays” 的申请第 12/544，147 号(代理人案号 027512-001300US)；以及· 2009 年 8 月 19 日提交的、题为 “Diffractive Laser BeamHomogenizer including a Photo-Active Material and Method ofFabricating the Same，，的申请第 12/544，161 号(代理人案号 027512-001400US)。关于在联邦赞助的研究或开发下做出的发明的权利的声明依照美国能源部与劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司(Lawrence Livermore National Securitty, LLC)之间的合约第 DE-AC52-07NA27344 号，美国政府拥 有本发明中的权利。
背景技术：
高平均功率二极管泵浦固态激光器经常具有近场中的非均勻空间分布或光束调 制，并且可以具有高斯或多峰远场。包括泵浦其它激光器、加工、激光冲击生成以及激光烧 蚀的若干重要激光应用在近场或远场中要求平坦空间分布。为了提供具有作为屏幕位置函数的均勻强度的图像，视频投影仪利用光束均勻 器。典型地，这些光束均勻器是基于透镜的均勻器。图1是传统微透镜阵列光束均勻器的 简化图。如图1所示，微透镜的第一二维方形阵列位于LA1距微透镜的第二二维方形阵列 LA2预定距离d的位置。微透镜阵列是平凸的，具有抛物透镜轮廓。距离d等于微透镜的第 二二维方形阵列的焦距fU2。微透镜的第一二维方形阵列LA1在等于ful的距离聚焦入射 准直光。因此，来自第一阵列中每个微透镜的光散布到第二阵列中相应相邻位置的若干微 透镜。微透镜的第二二维方形阵列LA2的输出是准直且均勻的光束，其可以由透镜L聚焦 到远场中的平顶(top hat)分布，其在透镜L的焦距&处。图1中示出的折射微透镜阵列包括与光的波长相比较大的结构元件(feature) (即，微透镜)。结果，与这些结构元件相关联的结构出现在半勻化光束中。因为本发明的 一些实施例利用相当于光的波长的衍射结构，因此在使用本发明的实施例产生的勻化输出 光束中避免了这样较大结构的不均勻性，导致更大的光束均勻性和强度变化的降低。图2是传统交叉柱面透镜光束均勻器的简化透视图。图2中示出的均勻器利用两 个聚光器(^和仏。每个聚光器(例如，聚光器C1)包括具有抛物透镜轮廓的折射平凸的柱 面透镜阵列210和212。柱面透镜210和212安装在中心玻璃板214的任一侧。如光线220 所示，由柱面透镜210的第一线性阵列在距离处聚焦光。如光线222所示，由柱面透镜 212的第二线性阵列利用焦距f2在正交维度上聚焦光。具有匹配柱面透镜阵列组的第二聚 光器C2位于距第一聚光器焦距的位置。不管微透镜阵列和交叉柱面透镜光束均勻器的可用性，本领域存在对用于在高功率激光应用中使激光光束均勻的改善方法和系统的需要。

发明内容
本发明一般涉及激光系统。更特别地，本发明涉及用于使高功率激光光束均勻的 方法和系统。仅作为示例，该方法和设备被应用到衍射光热反射玻璃构件，其向激光光束提 供相位修改，以提供具有基本均勻的强度分布的输出。另外，本发明的实施例提供了制作大 衍射光学元件的方法。将认识到的是，本发明具有更宽的应用范围，并且可以被应用到其它 激光系统。根据本发明的实施例，提供了光学系统。光学系统包括衍射光学元件，其沿光束路 径布置，并且具有输入表面、与输入表面相对的输出表面以及在输入表面与输出表面之间 延伸的预定厚度。衍射光学元件包括光热折变材料，并且输入表面处的激光光束强度分布 由第一强度分布表征。光学系统还包括透镜，其沿光束路径距输出表面预定距离而布置，并 且可操作用以接收离开输出表面的激光光束。透镜的表面处的激光光束强度分布由第二强 度分布表征。光学系统还包括沿光束路径从透镜延伸到目标位置的传播路径。目标位置处 的激光光束强度分布由变化小于10%的第三强度分布表征。根据本发明的另一实施例，提供了制造多个衍射光学元件的方法。该方法包括 提供部分透射载片(slide)，提供第一 PTR(光热折变)玻璃片，以及引导第一 UV(紫外线) 辐射通过部分透射载片以照射在第一 PTR玻璃片上。该方法还包括将第一 PTR玻璃片的预 定部分暴露于第一 UV辐射，并且热处理曝光后的第一 PTR玻璃片。该方法还包括提供第二 PTR玻璃片，以及引导第二 UV辐射通过热处理后的第一 PTR玻璃片以照射在第二 PTR玻璃 片上。该方法另外包括将第二 PTR玻璃片的预定部分暴露于第二 UV辐射，热处理曝光后的 第二 PTR玻璃片。另外，该方法包括使用另外的PTR玻璃片重复第二 PTR玻璃片的提供和 处理。根据本发明的又一实施例，提供了制作多个衍射光学元件的方法。该方法包括提 供由作为位置函数的预定相位分布表征的母板(masterplate)，以及提供多个PTR玻璃片。 该方法还包括a)引导UV辐射通过母板，以冲击多个PTR玻璃片的第一个，b)将多个PTR玻 璃片的第一个的预定部分暴露于UV辐射，以及c)热处理多个PTR玻璃片的曝光后的第一 个，以形成第一个衍射光学元件。该方法还包括重复步骤a)到c)，顺序用多个PTR玻璃片 的其它PTR玻璃片替代多个PTR玻璃片的第一个，以形成其它衍射光学元件。经由优于传统技术的本发明来实现许多益处。例如，本技术提供可以用于使激光 照射均勻的衍射板，导致从激光增益材料的更高提取效率和来自激光泵浦激光器的更好光 束质量。另外，这里提供的衍射板为使用高平均功率二极管泵浦固态激光器的目标加工应 用提供激光通量(其转换成压力和温度)的提高的均勻性。另外，与蚀刻或闪耀光学器件比 较，由于提供的平滑并连续的折射率变化，其它实施例提供固有更高的衍射效率。由于在大 量材料中存在衍射效应，因此这里描述的光学器件的表面可以是完全平滑的。平滑表面有 益于用于表面以及施加到表面的任何电介质涂层的高损坏门限值。相对用作对于真空和肮 脏环境中污染的“捕获器(getter)”的传统衍射光学器件，平滑表面还可以被保持清洁。结 合以下文本和附图，更详细地描述本发明的这些和其它实施例连同许多它的优点和特征。


图1是传统微透镜阵列光束均勻器的简化图；图2是传统交叉柱面透镜光束均勻器的简化透视图；图3是对于代表性的激光光束的作为位置函数的激光强度的简化图；图4是根据本发明的实施例的激光光束均勻化系统的简化示意图；图5A是根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输入处作为位置函数的激光光 束强度的简化图像；图5B包括根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输入处作为位置函数的激光 光束强度的简化图；图5C是根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输出处作为位置函数的激光光 束强度的简化图像；图5D包括根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输出处作为位置函数的激光 光束强度的简化图；图6是示出根据本发明的实施例的制作衍射光学元件的方法的简化流程图；图7是示出根据本发明的另一实施例的制作衍射光学元件的方法的简化流程图； 以及图8是示出根据本发明的实施例的使用母板制作衍射光学元件的方法的简化流 程图。
具体实施例方式本发明的实施例可用于广泛种类的激光应用中。例如，在2008年9月30日提交 的、题为"Control of a Laser Inertial ConfinementFusion-Fission Power Plant，，的 国际专利申请第PCT/US2008/011335号中描述的激光惯性约束聚变-裂变引擎(LIFE)项 目，为了一切目的通过引用将其公开内容全部合并于此。LIFE项目将利用由远场中的平顶 强度分布表征的激光器。另外，基于钛蓝宝石(Ti = Sapphire)的短脉冲激光系统可以从泵 浦激光器的光束的均勻化受益，以提高系统效率和Ti = Sapphire输出光束中的光束质量。 基于在目标位置处激光光束的均勻性的提高，诸如激光加工、打标、打孔以及焊接的其它二 极管泵浦固态激光应用也可以从本发明的实施例受益。虽然二极管泵浦固态激光器使得能够实现高效率和高平均功率，但是对于包括泵 浦其它激光器、加工、激光冲击生成以及激光烧蚀的若干重要激光应用，近场和远场光束质 量可能依然不令人满意。采用了若干方法以提高这样高功率激光器的光束质量。作为示例，一些高功率激光系统使用了相位校正器或自适应光学器件以补偿光束 中的相位不均勻性，从而使得能够实现衍射受限聚焦(diffraction limited focus)。具有 以阵列配置布置的多个可控小块(tile)的自适应反射镜是自适应光学技术的示例。虽然 自适应光学技术在降低激光光点尺寸方面展示了一些成效，但是这些技术无法在焦点处提 供平坦强度分布。另外，这些技术通常无法减小近场中的空间不均勻性。另一个途径是使用衍射元件来分别替换图1和图2中示出的微透镜和柱面透镜。 该途径的缺点是这些元件利用多次曝光光刻法和蚀刻工艺或使用磁流变抛光，以实现期望 性能所需的表面结构。使用多次曝光光刻法，要求精确的掩模对准和蚀刻工艺，以实现高透射效率，导致耗时的制作工艺和昂贵的部件。本发明人确定除衍射光学器件制造困难且昂 贵之外，将该途径调整到大孔径也是昂贵的。图3是对于代表性的激光光束的作为位置函数的激光强度的简化图。如图3所示， 近场中的光束的强度以非周期方式作为位置函数而变化。图3中示出的激光光束的近场的 非均勻空间强度分布特性导致将不会聚焦到衍射受限光点的激光光束的远场。典型地，远 场将是多峰的。当近场或远场中的激光光束的空间分布是平坦空间分布时，包括泵浦其它 激光器、加工、激光冲击生成以及激光烧蚀的许多重要激光应用受益。如在整个本说明书中 更全面描述的那样，本发明的实施例减小光束的不均勻性，并且提供适于这些应用的基本 均勻(即，平坦)空间分布。图4是根据本发明的实施例的激光光束均勻化系统的简化示意图。系统400包括 布置在激光光束405的光路中的衍射光学元件410。衍射光学元件410也被称为衍射均勻 器。图4中示出的激光光束可以是激光输出或传播通过一个或多个光学器件之后的近场。 激光光束405在图4中示出的实施例中具有圆形横截面，但是这不是本发明所要求的。衍 射光学元件具有面向输入光束的第一表面412，相对第一表面的第二表面414以及厚度t。 第一表面412处的光束分布由预定相位分布表征。关于图5A和5B提供有关第一表面412 处的预定相位分布的另外讨论。衍射光学元件410的表面412和414是基本平面的，并且适合防反射(AR)涂层的 沉积或其它表面处理。在示出的实施例中，以长方体的形式制造衍射光学元件。如在整个本 说明书中更全面描述的那样，使用基于UV的曝光和热处理工艺来制作衍射光学元件410。 使用能够提供作为位置函数的变化折射率的PTR玻璃或其它适合透明材料，使得能够制作 和使用具有作为位置函数的折射率的连续变化的衍射光学元件。实质上，衍射均勻器以相 对于二极管照射的非均勻性很小的空间规模改变相位。这与如下传统蚀刻衍射均勻器形成 对比其中，表面结构元件的不连续性导致不连续变化的折射率。可以在计算机上精确计算衍射光学元件需要的相位变化，从而生成希望光学器件 的空间相位图。根据该计算，实现所需相位变化需要的所需指数变化是Δη = Φ/t，其中， Δη是折射率的变化，Φ是所需相位，并且t是PTR玻璃的厚度。PTR中产生的折射率变化 通常与曝光期间的入射光强度成比例。PTR玻璃已经用于制作体布拉格光栅，其用于在波分复用系统中使用。这些体布拉 格光栅取决于特定应用是周期或啁啾(chirped)的，并且通过使用激光器曝光被制作(如 是典型利用光栅结构)。由于图案不是周期或啁啾的，而是基于在衍射光学元件的输入面处 呈现的特定强度分布和在光学增益介质处的期望强度分布而定义，因此本发明的实施例与 在PTR中形成的这些传统光栅结构形成对比。参照图4，因此根据表面412处的强度分布和 表面432处的期望均勻强度分布定义衍射光学元件中的折射率分布。与周期光栅结构甚至 啁啾光栅结构对比，本发明的实施例利用非正弦折射率分布来实现期望衍射效应。蚀刻衍射结构具有许多缺点，其对于高功率激光应用中的使用呈现问题。当激光 光束穿过衍射光学元件时，蚀刻表面的形状导致衍射效应。为了控制表面结构元件，对于 将蚀刻掩膜的一级配准蚀刻掩膜的其它级，需要高级的控制。蚀刻掩膜的偏移导致错误定 义的表面形状，从而降低透射的光束的质量。另外，蚀刻深度控制是最终表面轮廓的关键输 入。对于利用衍射结构元件的总高度为大约1 μ m的8级蚀刻工艺，最终步阶高度是250nm，这难以利用高级的重复性来蚀刻。假设对于蚀刻掩膜对准和蚀刻深度进行了足够控制，蚀刻衍射结构中的尖锐结构 元件导致入射光的散射，不利地影响衍射光学元件的传递效率。由发明人利用蚀刻衍射结 构进行的研究表明了在穿过变形望远镜、蚀刻衍射均勻器、聚焦透镜以及反射镜之后大约 60%的传递效率(出光除以入光)。通过薄膜防反射(AR)涂层的使用，通常减小了来自光 学元件的散射损失。然而，蚀刻衍射结构的高度结构化表面不利地影响薄膜涂层的可用性 和质量。因此，在一些蚀刻衍射光学元件中，界面处的菲涅尔反射损失可能对功率传递效率 的降低产生显著影响。本发明的实施例降低或消除蚀刻衍射均勻器的缺点。与使用PTR玻璃制造的衍射 光学元件相关联的平面很适合高功率激光应用。因为光学器件的表面是平坦的，因此减少 了蚀刻表面常见的污物和灰尘的聚积。另外，平坦表面提供适合于AR涂层的沉积的基板， 减少界面处的菲涅尔反射损失。由这里描述的衍射光学元件提供的平坦表面和“内部”指 数变化导致比与蚀刻衍射结构相关联的传递效率更高的传递效率。与发明人测试的16级 二元板(其由大约80%的传递效率表征)对比，本发明的实施例提供大于90%、大于92%、 大于94%、大于96 %或大于98 %的传递效率。另外，与传统蚀刻衍射元件比较，降低了以PTR玻璃制作的衍射光学元件中的散 射损失。从这里描述的制作方法得到的折射率的连续变化消除了在蚀刻结构中呈现的不连 续性，从而提高以PTR玻璃制作的衍射光学元件的传递效率。如上所述，作为制造它们的蚀刻工艺的结果，传统蚀刻衍射光学器件在它们的传 递效率方面受限。利用本发明的实施例，有可能利用包括为半导体光刻开发的技术的技术 来产生灰度级母载片(master slide)，并且以PTR玻璃制作具有连续变化折射率的衍射光 学元件。可以促使改变以较高成本为光刻开发的印刷和成像技术，诸如图像中继、分步重复 等。因此，这些衍射光学元件中的平滑相位分布将比传统板更有效。本发明的实施例将可应用到众多高功率激光器和放大器应用。作为示例，正在劳 伦斯 利弗莫尔国家实验室开发的LIFE项目将利用高功率激光光束，并且将从向放大器递 送均勻光的能力受益。放大器的均勻照射将使得能够实现高光束质量和高效率。另外，可 用于防御应用的大孔径激光器还可从均勻泵浦以提高光束质量受益，其还提高战术战争的 目标上的激光强度。经由提高的输出能量和光束质量，诸如激光加工、打标、打孔以及焊接 的其它固态激光应用也可以从本发明的实施例受益。光穿过衍射光学元件410，然后利用透镜420聚焦。为了表示凸透镜，以剖视图示 出透镜。在透镜的远场正常将所在的光学放大器430的平面432处，对勻化光束进行成像。 应该注意的是，衍射光学元件中的相位变化的空间规模将确定是否生成远场或近场平顶强 度分布。如果衍射光学元件的相位分布在垂直于激光光束的传播方向的方向上缓慢变化， 那么，在衍射通过自由空间之后，将产生远场平顶强度分布。这可以被比作与激光光束的远 场相关联的同步分布。另一方面，如果衍射光学元件的相位分布在垂直于激光光束的传播 的方向上快速变化，那么，在衍射通过自由空间之后，将产生近场平顶强度分布。发明人确 定可以使用本发明的实施例和PTR玻璃制作的快速变化的相位分布不能使用磁流变抛光 制作，因为使用磁流变抛光可得到的结构元件尺寸大于相位分布的变化。因此，本发明提供 了使用传统方法得不到的制作技术。
光学放大器430可以是用于高功率放大器的放大器板条(slab)或激光器的有源 部件。衍射光学元件410的设计将被剪裁成表征衍射光学元件输入处的输入激光光束405 的强度分布。在传播通过衍射光学元件并使用透镜420成像之后，将随机化表征输入光束 的空间相关照射，产生用于泵浦放大器板条430或其它适合增益介质的勻化光束。可以使 用衍射光学元件410改变光束的形状(以横截面测量)。作为示例，来自预放大级的方形或 长方形光束横截面可以在放大器板条430处被维持，或者在放大器板条430处被转换成圆 光束。衍射光学元件除均勻化之外，还可以执行光束的成像。因此，除透镜420之外或代 替透镜420，可以由衍射光学元件提供另外的透镜效应。虽然在图4中示出了单个透镜420， 但是本发明的实施例不限于单个透镜，并且可以使用另外的光学元件提供成像效应。本领 域的普通技术人员将意识到许多变化、修改以及替选。本发明的实施例可用于提高在包括激光加工、打标、打孔、焊接等的固态激光应用 中的目标位置处的光束的均勻性。这里描述的衍射光学元件可以用于均勻化激光照射，导 致从激光增益介质的更高提取效率和激光泵浦激光器中的更好光束质量。另外，实施例为 使用高平均功率二极管泵浦固态激光器的目标加工应用提供激光通量(其转换成压力和 温度)的提高的均勻性。另外，在提高激光器中的增益提取的效率和激光光束质量方面，短 脉冲激光器和其它激光泵浦激光器可以从由这里描述的实施例提供的近场均勻化受益。图5A是根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输入处作为位置函数的激光光 束强度的简化图像。如图5A所示，激光的强度作为位置函数显著变化。强度分布的特征在 于，功率作为位置函数而变化，其中光束的一些区域比其它区域更亮。事实上，激光光束的 若干部分显现几乎黑色，表示光束的这些部分的少量功率。在该示例中，来自激光器的光传播给定距离，并且衍射和传播导致了示出的非均 勻强度分布。如果将该强度分布成像到放大器板条上，那么放大器板条中的增益将由高增 益区域和低增益区域来表征，导致放大器中增益介质的无效泵浦。另外，光束强度的变化将 导致放大器中不可预测的增益分布，不利地影响系统性能。图5B包括根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输入处作为位置函数的激光 强度的简化图。由表示输入光束的宽度的虚线522示出沿水平方向取得的强度分布，并且 由表示输入光束的高度的实线524示出沿垂直方向取得的强度分布。如图5A所示，沿宽度 的测量(虚线522)的特征在于，在边缘区域具有峰值并且在分布的中间强度下将的近似双 峰分布。沿高度的测量(实线524)的特征在于，大部分功率在光束的上面部分，在较低区 域的中央具有低强度。在激光强度图中可看得见光束的较低边缘处的尖峰。跨越激光光束的强度变化很大，其中部分强度尖峰是其它强度值的三倍以上。参 照与通过光束的垂直测量相关联的实线524，大约-20mm处的尖峰具有大于三的归一化强 度值，而大约-IOmm处的强度小于一。对于具有大约为一的平均归一化强度值的虚线522， 一些峰值达到该值的大约两倍，其中波谷低至该值的大约一半。因此，强度的变化可以大于 100%。如关于图5A所讨论的那样，当用作泵浦光束或用于其它高功率应用时，具有如图5B 所示的强度分布的激光光束将导致较差性能。在图5A和5B中示出的输入光束的聚焦将导 致无衍射有限光点，其中，大量功率在高阶波瓣中。因此，目标上的功率将远小于若输入光 束是均勻时可用的功率。
图5C是根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输出处作为位置函数的激光光 束强度的简化图像。在参照衍射光学元件的输出处的激光光束强度时，这不要求输出光束 位于衍射光学元件的表面，但是可以被理解为在与衍射光学元件隔开的输出位置的光束。 参照图4，输出光束可位于放大器板条430的表面432。激光光束从一般长方形光束形状被 转换成了圆形光束。本发明的实施例不要求光束形状的转换，但是其可以被提供为如在该 图中所示的那样。如在图5C所示，激光光束强度的图像示出了作为位置函数的均勻强度图 案，其是许多应用期望的。图5D包括根据本发明的实施例的在衍射光学元件的输出处作为位置函数的激光 强度的简化图。由虚线532和实线534示出跨越圆形光束的作为位置函数的激光强度。由 虚线532示出沿水平方向取得的强度分布，并且由实线534示出沿垂直方向取得的强度分 布。与图5B比较，水平和垂直方向上的强度分布是基本均勻的，仅具有作为位置函数的微 小变化。取决于用于衍射光学元件的特定设计准则，利用衍射光学元件提供了跨越光束的 小于20%、小于15%、小于10%、小于5%、小于4%、小于3%、小于2%或小于的强度 变化。根据本发明的实施例，通过使用具有强度或相位变化的母板、并且在光折变玻璃 基板上对预定强度分布进行成像来制造衍射光学元件(诸如光束均勻器)，从而利用单次 曝光来产生新衍射光学元件。图6是示出根据本发明的实施例的制作衍射光学元件的方法 的简化流程图。在图6示出的方法中，可以制作一个或多个衍射光学元件，以用于来自二极 管激光器泵浦阵列或激光光束的光的均勻化。该方法包括提供部分透射载片(610)和PTR 玻璃片(612)。部分透射载片可以是适合在灰度级光刻技术中使用的摄影图像。使用这样 的摄影图像，可以利用灰度的阴影来在PTR玻璃中产生作为位置函数变化的连续折射率。 基于PTR玻璃中作为位置函数的期望折射率的计算，部分透射载片的密度继而PTR玻璃的 照射的强度将根据要在PTR玻璃的不同部分上曝光的光量而变化。该方法还包括引导UV辐射通过部分透射载片，以照射在PTR玻璃上(614)。强度 图案是适于PTR玻璃中期望折射率图案的预定图案。将PTR玻璃的预定部分暴露于UV辐 射(616)，并且热处理曝光后的PTR玻璃，以产生作为位置函数的期望折射率分布。本发明 的一些实施例提供作为位置函数的折射率的连续变化。由这些衍射光学元件提供的平滑变 化的相位分布使得能够在生成期望的均勻光束分布时实现较高传递效率。可以用于在PTR玻璃上产生期望强度分布的另一方法是使用空间光调制器来阻 挡UV光束的部分并在PTR玻璃上产生连续变化的强度图案。可以利用被用作光刻工艺 的部分的图像中继技术，以放大或缩小通过使用部分透射载片或使用空间光调制器产生的 图像。作为示例，对于适合在LIFE项目中使用的大孔径光学器件，可以使用步进光刻机 (stepper)调整这里描述的方法，以将一个曝光地点正确配准下一个地点，由此一起同步 (timing together)完整大面积的衍射光学元件。如关于图7更全面描述的那样，使用拼接 (ti 1 ing)工艺制作的大面积母板然后可以用于利用单次曝光产生复制板。以PTR玻璃制作的衍射光学元件还比传统蚀刻衍射结构更稳固(robust)。根据本 发明的实施例提供的衍射光学元件的平坦表面比具有精细结构元件的蚀刻结构更难以损 坏。作为可选方法，可以提供另外的PTR玻璃片(620)。使用同一部分透射载片，可以引导UV辐射通过部分透射载片，以照射在另外的PTR玻璃片上。另外的PTR玻璃片的部分 将暴露于UV辐射，然后将热处理曝光后的PTR玻璃，以提供第二衍射光学元件。可以多次 执行该可选路径。利用该可选过程，可以使用单个部分透射载片作为母载片来制作多个衍 射光学元件。对于大面积光学器件，可以使用基于部分透射介质的更小部分的分步重复工 艺来制作部分透射载片。因此，制作衍射光学元件(包括用于二极管激光阵列和激光光束 的空间光束均勻器)的所公开的方法使得能够以仅由基板(例如，PTR玻璃基板)的尺寸 限制的规模实现低成本批量生产。应该意识到的是，图6中示出的具体步骤提供了根据本发明的实施例的制作衍射 光学元件的特定方法。还可根据替选实施例执行其它步骤序列。例如，本发明的替选实施例 可按不同顺序执行以上概述的步骤。另外，图6中示出的各个步骤可包括多个子步骤，其可 按适合于单独步骤的各种次序被执行。此外，取决于特定应用，可添加或去除另外的步骤。 本领域的普通技术人员将意识到许多变化、修改以及替选。图7是示出根据本发明的另一实施例的制作衍射光学元件的方法的简化流程图。 该方法包括提供部分透射载片(710)和第一 PTR玻璃片(712)。如下所述，第一 PTR玻璃片 将被处理，然后用作母板，以产生用作衍射光学元件的另外PTR玻璃片。该方法还包括引导 UV辐射通过部分透射载片，以照射在第一 PTR玻璃片上(714)，并且将第一 PTR玻璃片的预 定部分暴露于UV辐射(716)。为了在第一 PTR玻璃片上产生期望强度图案，可利用除了使用部分透射载片之外 的方法。例如，可利用二维空间光调制器，以在第一 PTR玻璃片上产生期望强度图案，从而 将第一 PTR玻璃片的预定部分暴露于UV辐射。在PTR玻璃被曝光之后，对其进行热处理以产生PTR玻璃内作为位置函数的预定 折射率图案(718)。第一PTR玻璃片设置有折射率图案的，其通过衍射将在指定成像平面上 产生预定强度分布。因此，为了在第一 PTR玻璃片上产生强度图案，在该方法的实施例中包 括计算，其中该强度图案将导致折射率图案，其随后将用于如以下更全面描述的那样产生 第二强度图案。本发明的实施例可以利用若干不同方法来产生母板。为了为母板生成期望的光强 度分布，可以使用空间光调制器、平版印刷技术、标准光刻蚀刻技术、磁流变抛光技术等。在 制作母板之后，提供具有跨越板的作为位置函数的预定相位变化的相位板，母板用作用于 生成几乎无穷量的复制板的原版，其中，复制板的成本接近用于复制板的基板的成本。该方法此外包括提供第二 PTR玻璃片(720)，以及引导UV辐射通过第一 PTR玻璃 片以照射在第二 PTR玻璃片上(722)。因此，第一PTR玻璃片以与部分透射载片的使用类似 的方式用作母板。将意识到的是，使用部分透射载片来在第一 PTR玻璃片上产生预定强度 图案。在本发明的该实施例中，现在使用第一 PTR玻璃片来在第二 PTR玻璃片上产生第二 预定强度图案。利用穿过第一 PTR玻璃片的UV辐射的衍射，以形成第二预定强度图案。为 了形成第二预定强度图案，可利用另外的光学元件作为光学系统的部分。本领域的普通技 术人员将意识到许多变化、修改以及替选。将第二 PTR玻璃片的预定部分暴露于穿过第一 PTR玻璃片的UV辐射(724)，并且 在曝光之后热处理第二 PTR玻璃片(726)。因此，第二 PTR玻璃片包括适合用作衍射光学元 件(例如，衍射均勻器)的作为位置函数的折射率分布。为了利用第一 PTR玻璃片作为母板，可选地利用另外的PTR玻璃片重复过程720-726，以形成另外的衍射光学元件。因此，在 初始母板的制作之后，与传统技术比较，可以容易地并便宜地制作第二 PTR玻璃片的多个 副本。如关于图6所讨论的那样，在将PTR玻璃暴露于UV辐射期间，可以利用光刻技术，其 包括图像中继、放大、缩小等。应该意识到的是，图7中示出的具体步骤提供了根据本发明的实施例的制作衍射 光学元件的特定方法。还可根据替选实施例执行其它步骤序列。例如，本发明的替选实施例 可按不同顺序执行以上概述的步骤。另外，图7中示出的各个步骤可包括多个子步骤，其可 按适合于单独步骤的各种次序被执行。此外，取决于特定应用，可添加或去除另外的步骤。 本领域的普通技术人员将意识到许多变化、修改以及替选。图8是示出根据本发明的实施例的使用母板制作衍射光学元件的方法的简化流 程图。该方法包括提供由作为位置函数的预定相位分布表征的母板(810)。母板可以使用 PTR材料制作，或者可以是传统的多级蚀刻衍射元件。该方法还包括提供PTR玻璃片(812)， 并且引导UV辐射通过母板以照射在PTR玻璃上(814)。母板的相位分布是预定相位分布， 其将使得透射通过母板的光衍射，并且在PTR玻璃片处提供强度图案。该方法此外包括将PTR玻璃的预定部分暴露于UV辐射(816)，并且热处理曝光后 的PTR玻璃以形成衍射光学元件(818)。图8中示出的方法与图6和7中示出的那些方法 享有共同特征，并且与那些图相关联的描述适用于图8。为了制作另外的衍射光学元件，提供另外的PTR玻璃片(820)，并且重复过程814 到818，以制作另外的衍射光学元件。利用单个基于相位的母板制作多个相同的衍射光学元 件，其中，衍射光学元件的成本接近在制作期间使用的基板的成本。虽然图8中示出的方法 在衍射光学元件的制作期间利用母板的单次曝光，但是可利用分步重复方法来制作比母板 大的衍射光学元件。应该意识到的是，图8示出的具体步骤提供了根据本发明的实施例的使用母板制 作衍射光学元件的特定方法。还可根据替选实施例执行其它步骤序列。例如，本发明的替 选实施例可按不同顺序执行以上概述的步骤。另外，图8中示出的各个步骤可包括多个子 步骤，其可按适合于单独步骤的各种次序被执行。此外，取决于特定应用，可添加或去除另 外的步骤。本领域的普通技术人员将意识到许多变化、修改以及替选。还应该理解的是，这里描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其的各种 修改或改变将被建议给本领域的技术人员，并且将包括在本申请的精神和界限以及所附权 利要求的范围内。
权利要求
一种光学系统，包括衍射光学元件，其沿光束路径布置，并且具有输入表面、与所述输入表面相对的输出表面以及在所述输入表面与所述输出表面之间延伸的预定厚度，其中，所述衍射光学元件包括光热折变材料，并且其中，所述输入表面处的激光光束强度分布由第一强度分布表征；透镜，其沿所述光束路径距所述输出表面预定距离而布置，并且能够操作用以接收离开所述输出表面的激光光束，其中，所述透镜的表面处的激光光束强度分布由第二强度分布表征；以及传播路径，其沿所述光束路径从所述透镜延伸到目标位置，其中，所述目标位置处的激光光束强度分布由变化小于10％的第三强度分布表征。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所样衍射光学元件由折射率的连续变化表征。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光热折变材料是基本无正弦光栅结构的。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述光栅结构是周期的或啁啾的。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述衍射光学元件执行成像操作。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一强度分布中的变化大于10%。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三强度分布中的变化小于5%。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第三强度分布中的变化小于2%。
9.一种制造多个衍射光学元件的方法，所述方法包括 提供部分透射载片；提供第一光热折变PTR玻璃片；引导第一紫外线UV辐射通过所述部分透射载片，以照射在所述第一 PTR玻璃片上； 将所述第一 PTR玻璃片的预定部分暴露于所述第一 UV辐射； 热处理曝光后的第一 PTR玻璃片； 提供第二 PTR玻璃片；引导第二 UV辐射通过热处理后的第一 PTR玻璃片，以照射在所述第二 PTR玻璃片上；将所述第二 PTR玻璃片的预定部分暴露于所述第二 UV辐射；热处理曝光后的第二 PTR玻璃片；以及使用另外的PTR玻璃片重复所述第二 PTR玻璃片的提供和处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二PTR玻璃片由作为位置函数的折射率 的连续变化表征。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一PTR玻璃片包括长方体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，PTR玻璃包括长方体，并且所述第一UV辐射在 垂直于所述长方体的最小维度的面上照射在所述长方体上。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二PTR玻璃片包括长方体。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述部分透射载片包括摄影图像。
15.一种制作多个衍射光学元件的方法，所述方法包括 提供由作为位置函数的预定相位分布表征的母板；提供多个PTR玻璃片；a)引导UV辐射通过所述母板，以照射在所述多个PTR玻璃片的第一个上；b)将所述多个PTR玻璃片的所述第一个的预定部分暴露于所述UV辐射；c)热处理所述多个PTR玻璃片的曝光后的第一个，以形成第一个衍射光学元件；以及 重复步骤a)到c)，顺序用所述多个PTR玻璃片的其它玻璃片替代所述多个PTR玻璃片的所述第一个，以形成其它衍射光学元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述母板包括PTR玻璃。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述PTR玻璃是长方体。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述母板包括多级蚀刻衍射板。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个衍射光学元件由作为位置函数的折 射率的连续变化表征。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个衍射光学元件包括衍射均勻器。
全文摘要
本发明提供了一种包括感光材料的衍射激光光束均匀器及其制作方法，其中，制造多个衍射光学元件的方法包括提供部分透射载片，提供第一PTR玻璃片，以及引导第一UV辐射通过部分透射载片以照射在第一PTR玻璃片上。该方法还包括将第一PTR玻璃片的预定部分暴露于第一UV辐射，以及热处理曝光后的第一PTR玻璃片。该方法还包括提供第二PTR玻璃片，以及引导第二UV辐射通过热处理后的第一PTR玻璃片以照射在第二PTR玻璃片上。该方法另外包括将第二PTR玻璃片的预定部分暴露于第二UV辐射，热处理曝光后的第二PTR玻璃片，以及使用另外的PTR玻璃片重复第二PTR玻璃片的提供和处理。
文档编号G02F1/29GK101995663SQ20101026207
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年8月19日
发明者克里斯多佛·A·埃贝斯, 刘庆, 安迪·J·贝拉米安 申请人:劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司