专利名称：衍射-反射构形复合式激光光束变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型衍射—反射构形复合式激光光束变换器涉及一种激光加工设备中的光束变换器件，特别是适用于使用多模、非稳、大功率激光器进行工业加工的技术领域。激光加工中常使用多模、非稳、大功率激光器，其输出光束的形态多为不规则园形，强度分布多为中间强周边弱的准高斯型。由于不同的加工目的、对象和工艺，需要对上述光束的形态和强度分布进行修改变换，使其调整后满足特定的要求。
在实现上述目的的现有技术中，有采用如文献吕茂钰著“光学零件制造(冷加工部分)，1977，p.253-278”中所介绍的非球面或异形面形镜的，但该类变换镜较难制作，也不易对光束进行精确、复杂的变换；有采用如文献<计算机制全息图>(清华大学出版，1984)中所述的全息图和计算全息图的，但该类器件光能转换率不够高；另一种是如文献陈岩松著“物理，21，1992，p.197”中所介绍的二元光学器件，该类器件是在合适的(例如具有一定的反射率)的光学片基的表面经蚀刻制成多深度级的台阶分布(通常是矩形或园形)，从而制成一种纯衍射构形的变换器，但该类变换器在制作时，其局部区域内的台阶宽度常要求过细，致使目前的蚀刻工艺尚无法做到(目前国内最小2μm，国外0.2μm)，这使其对光束变换的精确性与任意性受限制。
本实用新型衍射—反射构形复合式激光光束变换器的目的是针对上述纯衍射式构形二元光学变换器的不足之处，解决提高变换器的制作精度，对光束进行精确、复杂的变换，和提高光能转换效率，从而提供一种衍射—反射构形复合式激光光束变换器。其技术特征是这种变换器有单片式和两片式两种结构，其中两片式是使用两块片基，一片的表面制有反射式构形结构，另一片的一表面制有衍射式构形结构，两片组合成一变换器；而其中的单片式是将反射式构形结构和衍射式构形结构同制于一块片基的一个表面上(详见后述)。这种变换器能将多模、非稳、大功率的激光光束变换成形状和强度分布满足特定要求的光束(例如下述实施例中的形状为长方形，强度分布为中部比周边略弱的光束)，而且其衍射构形部件中对台阶刻蚀宽度的要求降低到工艺所允许的水平。
本实用新型衍射—反射构形复合式激光光束变换器的目的是这样实现的本实用新型衍射—反射构形复合式激光光束变换器可以用一块具有良好反射率的材料做基片来制作，也可用两块上述材料做基片来制作。其中两片式是使用两块基片，其中一块做成曲率为R的凹球面做反射构件，另一块利用微电子刻蚀工艺刻出具有2—64个亚微米深度等级的矩形台阶分布而做成衍射构件，使用时两个构件分离，并按同光轴这一光学上的对光学元件组和时的位置关系的确定规则放置该两个构件，使其组合成两片复合式光束变换器；而其中的单片式是将具有2—64个亚微米深度等级的矩形台阶分布(其形成衍射式构形结构)直接刻在曲率为R的凹球面(其形成反射式构形结构)上，使其组合成单片复合式光束变换器。变换器中的衍射式构形结构或构件用于精确变换光束，而反射式构形结构或构件由于有会聚功能(因它们的表面形状或宏观表面形状是凹球面，故等效是球面反射镜而有会聚功能)，可用于降低对衍射式构形结构或构件中的台阶刻蚀宽度的要求。
本实用新型所提供的衍射—反射构形复合式激光光束变换器与现有技术相比，具有以下优点1.与具有非球面或异形面面形的变换镜相比，本实用新型所述的衍射—反射构形复合式激光光束变换器是一种结构精细的光学器件(阶梯高度与光波长同量级)，因此可对光束进行精确、复杂的变换；制作也较容易；当衍射构形部件采用复制技术(例如模压，包括模压后镀膜)制作时，可使器件造价低廉。
2.与全息图和计算全息图类变换器相比，本实用新型所述的衍射—反射构形复合式激光光束变换器是一种纯位相变换器件，其光能转换效率高。
3.与纯衍射型变换器相比，本实用新型所述的衍射—反射构形复合式激光光束变换器易于制做。
本发明的附图图面说明
图1是制做两片式变换器的衍射构形面时，微电子刻蚀所用的一套共四张掩模的示意图；图2是基片被刻蚀后沿XOZ平面的剖面视图；图3是基片被刻蚀后沿YOZ平面的剖面视图；图4是两片式变换器的一种实施例的工作示意图；图5是单片式变换器的结构和工作示意图。
以下结合附图及实施例对本实用新型衍射—反射构形复合式激光光束变换器作进一步详细说明
图1、2、3、4是两片式变换器的一个实施例的结构和工作示意图。
选用对于待变换光束的波长有良好反射率的玻璃材料做光学基片(或基片按下述要求制作好后在其上镀反射膜)，共使用两块基片，在其中一块的一个表面用普通光学加工技术磨成曲率为R的凹球面，从而将其制成具有反射和会聚功能的反射构形部件(图4中9)，在另一块的一表面使用微电子刻蚀技术进行刻蚀(
图1中按顺序1到4所示的4张图是用微电子刻蚀技术进行刻蚀时所用的4张掩模板的结构图)，制成具有2-64个亚微米深度等级的矩形台阶分布(深度等级数愈多，则衍射效率愈高，但制作工序增加，一般根据不同的实际要求而选定)，从而将其制成具有衍射功能的衍射构形部件(图4中8)，该衍射构形部件的表面被刻蚀后，其沿XOZ平面的剖面形状如图2所示，其中1是基片，2是衍射构形面上的阶梯，3是刻蚀后的台阶状侧面；而沿YOZ平面的剖面形状如图3所示，其中4是衍射构形面上的阶梯，5是基片，6是刻蚀后的台阶状侧面。所说的XOZ和YOZ两平面的位置，见
图1所示。两块基片做好后可分别在其凹球面和刻蚀面上镀银膜(或镀铝膜)。由于各微小台阶高度不同，自然就组成众多个阶梯(图2中2，图3中4，由于2-64个深度等级过于细小，难于清晰画出，图中仅示意性地画出四个深度等级)，而各阶梯的位置和形状也依具体的光束变换要求而定。
使用时两部件分离放置，其相互位置与取向按照“同光轴”这一光学上的对若干光学元件组和时的位置关系的确定规则而确定，也就是使待变换光束(图4中7)先入射衍射构形部件(图4中8)，经其衍射的衍射光束再入射反射构形部件(图4中9)，再经其反射并会聚而成为变换后的目标光束(图4中10)，两部件之间的具体分离距离和两部件的取向，只要能使经衍射构形部件衍射的光束有效入射反射构形部件，并能经其再有效反射和会聚成目标光束即可。从而便组成了两片复合式激光光束变换器，当待变换光束(例如其形状为不规则圆形，强度分布为准高斯型的光束)通过衍射面的衍射和反射面的反射后，便产生设计所要求的波面位相改变，形成形状和强度分布预定的目标光束(例如其形状为长方形，强度分布为中部比周边略弱的光束)，当待变换光束是非稳光束时，变换后的目标光束的光斑形状也相对稳定。
图5是单片式变换器的一个实施例的结构和工作示意图。
该单片式变换器也选用对待变换光束的波长有良好反射率的玻璃材料做光学片基(或在片基按下述要求制作好后再在其上镀反射膜)，但只使用一块片基，先在该块片基的一面用普通光学加工技术磨成曲率为R的凹球面，再用微电子刻蚀工艺将上述阶梯状衍射构形结构直接刻蚀在此凹球面上。这样该表面的微观形状是具有2-64个亚微米深度等级的矩形台阶分布，其具有衍射功能；而该表面的宏观形状是凹球面，其具有反射和会聚功能。于是便组成了单片复合式激光光束变换器，当入射的待变换光束(图5中12)入射到该衍射构形结构和反射构形结构复合的表面(图5中13)上，它便对入射光束同时起到衍射、反射和会聚作用，使待变换光束按设计所要求的波面位相改变而变换，成为目标光束(图5中14)出射。
权利要求1.一种衍射—反射构形复合式激光光束变换器，其特征在于这种变换器有单片式和两片式两种结构，其中两片式是使用两块片基，一片的表面制有反射式构形结构，另一片的一表面制有衍射式构形结构，两片组合成一变换器；而其中的单片式是将反射式构形结构和衍射式构形结构同制于一块片基的一个表面上。
2.一种根据权力要求1所述的衍射—反射构形复合式激光光束变换器，其特征在于所说的反射式构形结构是在一片基的表面被磨成曲率为R的凹球面，所说的衍射式构形结构是在另一片基的表面被刻蚀成的具有2—64个亚微米深度等级的距形台阶分布，两部件同光轴放置，组合成一复合式变换器。
3.一种根据权力要求1所述的衍射—反射构形复合式激光光束变换器，其特征在于所说的将反射式构形结构和衍射式构形结构同制于一块片基的一个表面上是将具有2—64个亚微米深度等级的距形台阶分布直接刻蚀在片基表面上被磨成的曲率为R的凹球面上，构成一复合式变换器。
专利摘要本实用新型衍射-反射构形复合式激光光束变换器涉及一种激光加工设备中的光束变换器件，特别是适用于使用多模、非稳、大功率激光器进行工业加工的器件。本实用新型解决提高变换镜的结构制作精度，可对光束进行精确、复杂的变换；和提高光能转换效率；从而提供一种衍射-反射构形复合式的激光光束变换器。这种变换器分为单片式和双片式两种结构。该器件用具有良好反射率的材料为基片，一面作成曲率为R的凹球面作反射构件，另一面做成衍射构件，将其复合而成。
文档编号B23K26/06GK2229323SQ9424824
公开日1996年6月19日 申请日期1994年12月26日 优先权日1994年12月26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