一种多焦点衍射元件的制备方法及多焦点衍射元件与流程
本申请涉及光学元件技术领域，特别涉及一种多焦点衍射元件的制备方法及多焦点衍射元件。
背景技术：
多焦点光学元件能够使得一束平行光在轴向多个焦点处同时汇聚，这一特殊的光学属性使得多焦点光学元件被广泛应用于多种现代光学加工和成像系统中。例如在飞秒激光切割厚透明材料时，由于利用单个激光焦点对透明材料切割分离受材料厚度影响较大，随着透明材料厚度的增加，激光焦点处诱导产生的热裂纹在厚度方向上的走向不受控，从而导致切割截面面形不规则，甚至出现表面崩边等现象，严重影响材料表面的物理属性，限制了飞秒激光切割在厚透明材料中的应用。利用多焦点光学元件使激光光束在轴向汇聚成多个焦点，使其均匀分布在透明材料厚度方向上的不同位置，以此来获得高平整度的切割表面；再例如复眼结构由于宽视场的特殊性能，对运动物体具有高敏感度等特征受到了广泛的关注和研究，为了扩大仿生复眼结构在成像时的焦深，可以利用多焦点光学透镜阵列来实现。
传统的多焦点光学元件通常有两种实现方式。一类是折返式光学器件，如图1所示。这类光学元件常见的形式为：由多片透镜构成的透镜组或由两片高精度的反射镜构成的光学多次反射系统,这种多焦点光学器件不仅体积较大，不便于光路的调整，极大限制了其应用场景；并且系统中的光学元件通常都需做成中空结构，不便于加工。第二种是利用衍射光学器件来实现多焦点，但是这种传统的多焦点衍射元件有三大缺点：①传统多焦点衍射元件实则是由两部分元件组成的折衍混合光学器件：一个传统的凸透镜和衍射光学元件。这种方式在一定程度上也限制了其功能的使用，例如用于仿生复眼结构时，两个光学元件的对准就成了亟待解决的问题。②由于设计固有的问题，这种传统的衍射多焦点光学元件不能形成等距的多焦点。③各个焦点之间点扩散函数不一致，导致各焦点的峰值能量强度和半高宽都不一致，从而影响各个焦平面的成像质量。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请提供一种多焦点衍射元件的制备方法及多焦点衍射元件，以解决上述问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种多焦点衍射元件的制备方法，所述制备方法包括：
获取多焦点衍射元件的基本参数，其中，所述多焦点为等台阶宽度的焦点；
根据所述基本参数计算各个焦段对应的台阶刻蚀深度；
根据所述台阶刻蚀深度进行仿真实验论证以得到所述多焦点衍射元件。
可选地，所述根据所述基本参数计算各个焦段对应的台阶刻蚀深度，包括：
根据所述多焦点衍射元件的焦点个数规划并计算需要刻蚀的台阶刻蚀位置及台阶刻蚀深度；
对所述台阶刻蚀深度进行整合，将对应径向宽度的台阶刻蚀深度按照焦段依次排序，以最终得到有序的台阶刻蚀深度。
可选地，所述台阶刻蚀深度通过以下公式计算得到：
其中，hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λ为设计波长，m为焦点个数。
可选地，所述根据所述台阶刻蚀深度进行仿真实验论证以得到所述多焦点衍射元件包括：
在根据所述台阶刻蚀深度进行台阶刻蚀后，验证每个焦点的峰值能量与其对应的能量峰的半宽高是否一致；
若不一致，则通过增减对应焦段的台阶数调整每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内，以最终得到所述多焦点衍射元件。
可选地，所述通过增减对应焦段的台阶数调整每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内包括：
通过增减对应焦段的台阶数改变各个焦点的利用率；
通过改变各个焦段对应的台阶宽度，调整各个焦点处的点扩散函数区域一致，从而使得每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内。
本申请实施例的第二方面提供了一种多焦点衍射元件，所述多焦点衍射元件通过上述多焦点衍射元件的制备方法中任一项所述的方法制备得到。
本发明的有益效果是：本申请提供的多焦点衍射元件的制备方法中多焦点衍射元件中设置基于多个焦点，能够在不需要聚焦透镜的情况下，仅利用一片衍射元件就能实现多焦点分布。相较于传统的多焦点衍射元件，本申请提供的多焦点衍射元件进一步减小了多焦点衍射元件的尺寸，并且避免了多个光学元件之间的对准问题，使得其使用场景更加灵活广泛；其次，本申请提供的多焦点衍射元件能够产生等距的多焦点，并且各焦点间的峰值能量均匀性、点扩散函数一致性都能通过优化得到很好的结果，可以作为高精度微纳加工系统中的重要分光元件，并且在某些特定成像光学系统中对于增大焦深有着十分重要的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的多焦点衍射元件；
图2为本申实施例请提供的多焦点衍射元件的制备方法的流程示意图；
图3为本申实施例请提供的台阶刻蚀深度设计示意图；
图4为本申实施例请提供的多焦点衍射元件与传统方法制得的衍射元件的峰值能量分布差别示意图；
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
图2示出了本申请提供的多焦点衍射元件的制备方法，详述如下：所述制备方法包括：
步骤s21，获取多焦点衍射元件的基本参数，其中，所述多焦点为等台阶宽度的焦点。
本申请提供的实施例中，在制备多焦点衍射元件时，首先确定多焦点衍射元件的基本参数，如焦点个数、各焦点焦距、初始台阶宽度、台阶周期数等。本申请提供的多焦点衍射元件中的多个焦点为等台阶宽度的焦点。
步骤s22，根据所述基本参数计算各个焦段对应的台阶刻蚀深度。
可选地，所述根据所述基本参数计算各个焦段对应的台阶刻蚀深度，包括：
根据所述多焦点衍射元件的焦点个数规划并计算需要刻蚀的台阶刻蚀位置及台阶刻蚀深度；
对所述台阶刻蚀深度进行整合，将对应径向宽度的台阶刻蚀深度按照焦段依次排序，以最终得到有序的台阶刻蚀深度。
可选地，所述台阶刻蚀深度通过以下公式计算得到：
其中，hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λ为设计波长，m为焦点个数。
本申请提供中对各个焦点进行等台阶宽度的衍射元件的设计，计算所需刻蚀的台阶高度。如图2所示。
计算公式如下：
其中，hi为刻蚀深度，fi为设计焦距，n为材料折射率，r为衍射元件各台阶的径向距离，λ为设计波长，m为焦点个数。以此，得到了各个焦段对应的台阶刻蚀深度。
然后再进行台阶刻蚀深度的整合，将对应径向宽度的刻蚀深度按照焦段依次排列，最终的刻蚀深度如图2。
h＝[h1h2...hih1h2...hi...h1h2...hi]
步骤s23，根据所述台阶刻蚀深度进行仿真实验论证以得到所述多焦点衍射元件。
可选地，所述根据所述台阶刻蚀深度进行仿真实验论证以得到所述多焦点衍射元件包括：在根据所述台阶刻蚀深度进行台阶刻蚀后，验证每个焦点的峰值能量与其对应的能量峰的半宽高是否一致。
若不一致，则通过增减对应焦段的台阶数调整每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内，以最终得到所述多焦点衍射元件。
可选地，所述通过增减对应焦段的台阶数调整每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内包括：
通过增减对应焦段的台阶数改变各个焦点的利用率；
通过改变各个焦段对应的台阶宽度，调整各个焦点处的点扩散函数区域一致，从而使得每个焦点的峰值能量致与其对应的能量峰的半宽高的差值至指定范围内。
具体地，经上述过程所制备的多焦点衍射元件各个焦点的峰值能量和半宽高并非一致，这是由于此时各焦点对应的有效r/#并不相同造成。还需通过后续的优化步骤使得各个焦点的峰值能量强度和半宽高达成一致。
具体优化方法如下：
根据公式
如图4所示，使用传统多焦点衍射元件设计方法和本发明的设计方法分别对焦距为40mm和50mm进行双焦点衍射元件的设计，两者的直径均为2.2mm。使用传统设计方法设计的双焦点光学元件在两焦点处的峰值能量(归一化)分别为1/0.64，半高宽(归一化)分别为0.63/1；而使用本发明的双焦点衍射元件在两焦点处峰值能量(归一化)分别为1/0.97，半高宽(归一化)分别为0.89/1。峰值能量均匀性提升51％，半高宽均一性提升41％。可以看出本发明的多焦点衍射元件设计方法优势明显。
本申请提供的多焦点衍射元件的制备方法中多焦点衍射元件中设置基于多个焦点，能够在不需要聚焦透镜的情况下，仅利用一片衍射元件就能实现多焦点分布。相较于传统的多焦点衍射元件，本申请提供的多焦点衍射元件进一步减小了多焦点衍射元件的尺寸，并且避免了多个光学元件之间的对准问题，使得其使用场景更加灵活广泛；其次，本申请提供的多焦点衍射元件能够产生等距的多焦点，并且各焦点间的峰值能量均匀性、点扩散函数一致性都能通过优化得到很好的结果，可以作为高精度微纳加工系统中的重要分光元件，并且在某些特定成像光学系统中对于增大焦深有着十分重要的作用。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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