专利名称：孔径分区衍射合成式激光光束变换镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光加工设备中的光束变换镜，特别是适用于使用多模、非稳、大功率的激光器进行工业加工的技术领域。
用于激光加工与热处理的高功率激光器，其输出的激光束形状多近似为圆形，强度分布近似为中心强周边弱的非高斯型，且一般是多模式和不稳定的。但是在激光加工中，却需要使用稳定的变形激光束，即不但要对原光束的形状和强度分布进行修改变换，以适应不同的加工目的，对象和工艺，而且要保持该变形光束的形状与强度分布的相对稳定。例如，在激光表面淬火处理中，要求CO2激光束稳定于某种所需的光强度分布和形状。
在实现对激光束进行变换的现有技术中，有如文献吕茂钰，《光学零件制造(冷加工部分)》，机械工业出版社，1977，9.253中采用非球面或异形面型镜的；也有如文献金国藩等，《计算机制全息图》，清华大学出版社，1984，p.91-165，中介绍的采用全息图和计算全息图的；另一种是采用如文献陈岩松，《物理》，21，1992，p.197，中介绍的二元光学器件的。这些技术及器件虽在不同程度上能对激光束的形状和强度进行变换，但却无法适应多模和非稳激光束，即当原光束的形状和强度分布发生变化时，其变换光束的形状和强度分布也要发生变化。
本实用新型的目的是针对上述光束变换器的不足之处，为了使变换镜不但能对原光束的形状和强度分布进行变形转换，而且能保持该变形光束的形状与强度分布在原光束的形状和强度分布发生变化时也能够相对稳定，从而提供一种可适用于多模、非稳、大功率激光束的新型光束变换镜。
本实用新型的目的是这样实现的选用对于待变换激光光束具有良好透过率的材料做镜片片基，将片基的一表面加工成平面或者曲率为R的球面，而将另一表面分成i个(i＝2，3，4，…50)边界相连的子区域，在每个子区域的表面，采用现有二元光学变换镜的设计和制造技术(参见文献陈岩松，《物理》，21，1992，p.197)，制作具有N个(N＝2，…64)深度等级的阶梯形微结构分布，分别制作出i个独立的变换功能相同或近似相同的子激光光束变换镜。
激光光束入射该变换镜后，由于其上的i个独立的子变换镜的光束变换功能(通过光学衍射)相同或近似相同，故经各个子变换镜变换后输出的各子光束的形状和强度分布便相同或近似相同，因而由它们叠加而成的合成光束的形状和强度分布便也与各子光束的相同，仅光束总强度为各子光束强度的叠加；当入射光束是多模、非稳激光束时，即入射到变换镜上的激光束的形状和强度分布随时间发生变化时，例如入射光束的形状先是近似长方形，其能量主要落在子区序号为i＝1，2，3，4的子区内，后近似变为正方形，其能量主要落在子区序号为i＝2，3，6，7的子区内，由于每个子区均能将入射其上的光束独立地按相同或近似相同的功能进行变换，故上述两种情况下的最终合成的(目标)光束的形状和强度分布将是近似相同的，从而可以显著减轻总的合成光束—即目标光束随入射光束的变化程度，达到当入射光束为非稳多模光束时，其输出的目标光束的形状和强度分布也能相对稳定的目的。
以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明
图1是孔径分区衍射合成式激光光束变换镜沿XOZ平面的剖面视图；图2是孔径分区衍射合成式激光光束变换镜沿YOZ平面的剖面视图；图3是孔径分区衍射合成式激光光束变换镜的工作示意图；图4是孔径分区衍射合成式激光光束变换镜的第二种实施例的结构示意图；图5是孔径分区衍射合成式激光光束变换镜的第三种实施例的结构示意图。
图1、图2是实施例1的剖面示意图 (图中X、Y、Z三轴相互垂直，且都通过中心O点)。片基采用砷化镓材料， 其一面被磨成曲率为R的光学球面，另一面分别沿X和Y方向各分成4个区带，如
图1中1’，2’，3’，4’和图2中5’，6’，7’，8’所示，使该表面被划分成16个子区域(子区序号i＝1，2，3，…16)。对于每个子区的表面，采用微电子学刻蚀技术制作出最多为8个深度等级的具有矩形状台阶的阶梯型微结构分布，各阶梯的具体形状和位置，根据所要达到的具体的光束变换要求而定即先设入射到每个子区的光束的形状与该子区的形状相同，而入射到每个子区的光束的强度在该子区内是均匀的，然后再根据对于变换后的目标光束的要求是形状为长方形、强度分布为中间弱周边强的情况，而按现有的二元光学变换镜的设计程序(一般需用计算机设计)而确定，从而分别制作出16个独立的并具有相同或近似相同的变换功能的子激光光束变换镜，其纵向剖面结构如
图1、图2所示(由于阶梯数目众多和细小，图中均只能象征性地画出)。该变换镜具有如下特征1.每个子区域均有若干阶梯组成；2.各阶梯又有最小为2，最多为8个矩形台阶组成；3.矩形台阶的深度是亚波长量级，阶梯的高度是波长量级。
按图3位置放置该变换镜，待变换激光束(图中9)从左侧入射该变换镜(图中10)，由于该变换镜上的每个子变换镜远比整个变换镜要小，故入射到每个子变换镜上的激光光束的强度不均匀性远比入射到整个变换镜上的激光光束的强度不均匀性小，所以认为入射到每个子变换镜上的光束的强度是均匀的假设可近似成立；另由于入射激光光束总会投射到(因而覆盖并充满)16个子变换镜中的大多数上，所以对于16个子变换镜中的大多数而言，入射激光束的形状与其形状相同，于是每个子变换镜都将入射其上的激光束变换成光束形状为长方形，光强分布为中间弱周边强的子目标光束，这些子目标光束叠加合成便得到所需的总目标光束(图中11)，其形状同样为长方形，而光强分布同样为中间弱周边强。
图4是第二种实施例的结构示意图。变换镜有两个部件组成，一个部件是用锗材料做片基(图中12)，其一面是光学平面，另一面刻蚀有如
图1和图2中所描绘的那种阶梯状的微结构(图中13)，构成衍射部件；另一部件是一平凸形球面透镜(图中14)。两部件共光轴分离放置(也可将两部件的平面相互胶合)而组成一复合型变换镜。这种结构的好处是刻蚀有阶梯状构造的平面形薄片可使用复制片，从而使造价低廉，还可通过材料的选择，使两部件的色散互补抵消或减轻。
待变换激光束从左侧先入射平凸形球面透镜(图中14)，经其折射变成会聚光再入射到衍射部件(图中12，13)，该衍射部件上的每个子变换区域都将入射其上的激光束变换成光束形状为长方形，光强分布为中间弱周边强的子目标光束，这些子目标光束叠加便合成得到所需的总目标光束从右侧出射，其形状同样为长方形，而光强分布同样为中间弱周边强。
图5是第三种实施例的结构示意图。变换镜也有两个部件所组成，一部件是一个平面形薄片(图中15)，其一面刻蚀有如
图1和图2中所描绘的那种阶梯状的微结构(图中16)，并在其面上镀反射膜，使其成为一反射型衍射变换部件；另一部件是一凹球面反射镜(图中17)，两部件共光轴分离放置，也组成一复合型变换镜。这种结构的好处是不仅能使具有阶梯状构造的平面形薄片可使用复制片，从而使造价低廉，而且还可通过镀膜，使变换镜能够耐高激光功率，并可提高抗恶劣工作环境(例如多尘环境)的能力。
待变换激光束也从左侧先入射凹球面反射镜(图中17)，经其反射变成会聚光再入射到反射型衍射部件(图中15，16)，该反射型衍射部件上的每个子变换区域也都将入射其上的激光束变换成光束形状为长方形，光强分布为中间弱周边强的子目标光束，这些子目标光束叠加合成便得到所需的总目标光束从右侧出射，其形状和光强分布同样也分别为长方形和中间弱周边强。
本实用新型与现有技术相比，其优点如下与上述技术中各类光束变换镜，如非球面或异形面形镜、全息图和计算全息图以及无子分区的二元光学器件相比，本实用新型所述的孔径分区衍射合成式激光光束变换镜不但能对入射激光束的形状和强度分布进行精确、复杂的变换(因本变换镜是一种结构精细的光学器件，其矩形台阶的深度是亚波长量级，而阶梯高度是波长量级)；而且当入射激光束的形状与强度分布变化时，通过其变换所得的目标光束的形状和强度分布能保持相对稳定，从而为使用多模、非稳、大功率的激光器进行激光加工的领域提供出一种性能良好的实用新型激光光束变换镜。
权利要求1.一种激光光束变换镜，其特征在于选用对于待变换激光束具有良好透过率的材料做镜片片基，将片基的一表面分成i个边界相连的子区域，在每个子区域的表面，制作具有N个深度等级的阶梯形微结构分布，而分别制作出i个独立的变换功能相同或近似相同的子激光光束变换镜。
2.如权利要求1所述的激光光束变换镜，其特征在于所说的片基一表面的子区域的数目i是从2到50。
3.如权利要求1所述的激光光束变换镜，其特征在于所说的阶梯形微结构的深度等级数N的取值范围是从2到64。
4.如权利要求1所述的激光光束变换镜，其特征在于将镜片片基的另一表面加工成平面或者曲率为R的球面。
5.如权利要求1所述的激光光束变换镜，其特征在于所说的片基一表面的子区域中的每一个均有若干阶梯组成，各阶梯又有N个矩形台阶组成，台阶的深度是亚波长量级，阶梯的高度是波长量级。
6.如权利要求1所述的激光光束变换镜，其特征在于所说的i个独立的子激光光束变换镜被制作在一个部件上，而在另一个部件上制作曲率为R的球面，两部件共光轴分离放置，也可将两部件的平面相互胶合，组成复合型变换镜。
专利摘要本实用新型提供一种激光加工设备中的新型光束变换镜，特别适用于使用多模、非稳、大功率的激光器进行工业加工的技术领域。通过对镜孔径分区进行精细地衍射结构设计，使其不但能对入射光束的形状和强度分布根据具体加工需要进行精确、复杂地变换，而且能保持变换光束在入射光束的形状和强度分布发生变化时的高度稳定性，且光能转化效率高，造价低，为一实用性良好的光束变换器件。
文档编号G02B7/09GK2252996SQ9520377
公开日1997年4月23日 申请日期1995年2月27日 优先权日1995年2月27日
发明者陈岩松, 李德华, 柳尚青 申请人:中国科学院物理研究所