一种阵列光斑产生器的制作方法

本发明涉及一种光学阵列分束器，具体涉及一种非正交排列的二维阵列光斑产生器。

背景技术：

光学阵列光斑产生器是一种实用的衍射光学元件，它可以使入射光束分割成规则排列的点阵结构，实现光功率的均匀分配和多通道互连等功能。这种阵列光斑具有高速并行性，在光互连、并行激光处理、并行读取信息、多焦点超分辨显微成像等方面拥有重要应用前景。

达曼光栅是一种常用的分束器件，可以产生强度均匀分布的阵列光斑，但是目前的达曼光栅只能产生正交排列的二维矩形分布的阵列光斑。利用分数泰伯效应制作的泰伯阵列照明器，可产生强度均匀分布、和非正交分布的二维阵列光斑，比如六角型阵列光斑和有心正方型阵列光斑【j.opt.soc.am.a25（1），203（2008）】。但这种泰伯阵列照明器是一种高阶的衍射光学元件，其需要加工为多个不同高度的台阶的衍射光学元件，但目前的加工工艺很难制作这种多阶的相位板，且加工工艺过程复杂，制作出的相位板价格昂贵，难于复制，很难在实际中得到应用。

因此，目前还没有一种技术能够生产非正交阵列排布的且强度均匀分布的二元衍射光学元件。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术泰伯阵列照明器制作不易实现的不足，提供了一种加工工艺简单的二元的非正交排列阵列光斑产生器，该阵列光斑产生器可将一束光分束给多个等强度分布的光斑，且光斑的排布为二维的非直角的阵列分布。该阵列光斑产生器极大地扩展了衍射光学元件在分束中的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种阵列光斑产生器，特殊之处在于，包括二元相位板，所述二元相位板包括呈菱形结构的结构单元，所述结构单元沿两个非正交方向均匀排列，所述结构单元由底面为平行四边形的直四棱柱组成，所述直四棱柱以n*n数列间隔排列。

进一步，所述结构单元的两个排列方向夹角与直四棱柱底面平行四边形的一个夹角相等，且为非直角。

进一步，所述结构单元数量为不少于4个。

进一步，所述直四棱柱的数量不少于4个。

进一步，所述直四棱柱的高度相等，且高度由材料的折射率和入射光的波长决定。

本发明的有益效果是：

该阵列光斑产生器可使一束光分为强度分布均匀的多束光，且光束分布为二维的非正交的平行四边形分布。并且该器件为二元的相位衍射光学元件，加工制备简单，易于实现，利于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的一个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图；

图2为本发明实施例1的5*5个结构单元排列的直四棱柱的底面分布示意图；

图3为本发明实施例1的5*5个结构单元排列的三维立体分布示意图；

图4为本发明实施例1的阵列光斑产生器的衍射光斑分布图；

图5为本发明实施例2的7*7个结构单元排列的直四棱柱的底面分布示意图；

图6为本发明实施例2的阵列光斑产生器的衍射光斑分布图；

图7为本发明实施例3的一个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图；

图8为本发明实施例3的阵列光斑产生器的衍射光斑分布图；

图9为本发明实施例4的一个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图；

图10为本发明实施例4的阵列光斑产生器的衍射光斑分布图；

图11为本发明实施例5的一个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图；

图12为本发明实施例5的阵列光斑产生器的衍射光斑分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的阵列光斑产生器，包括二元相位板，所述二元相位板包括呈菱形结构的结构单元，结构单元沿两个非正交方向均匀排列，所述结构单元由底面为平行四边形的直四棱柱组成，所述直四棱柱以n*n数列间隔排列。

表1列出了本发明几种不同阵列分束的光斑产生器的一个结构单元的几何位置和尺寸关系，其中l表示直四棱柱的边长

表1.几种不同阵列分束的一个结构单元底面的几何尺寸参数表

实施例一

本实施例为一种阵列分束为3*3的非正交排列阵列光斑产生器，参照图1，其给出了阵列光斑产生器的一个结构单元的底面分布示意图。

所述菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，都是θ=45°。所述的相邻两直四棱柱之间按照表1给定的几何位置和间隔规则排列，即以阵列3*3排列，每个直四棱柱的底面都为非直角的平行四边形结构。

本实施例的阵列光斑产生器中，其由若干图1所示的相同结构的结构单元沿菱形相邻两个方向紧密排列组成的，5*5个结构单元以斜45°夹角按照非正交方向排列，此种排列方式下，该阵列光斑产生器的直四棱柱的底面分布示意图，参考图2，图2中只给出了5*5个周期数。阵列光斑产生器的三维立体分布，参考附图3。

所述阵列光斑产生器中，直四棱柱的高度都相等，高度由材料的折射率和入射光的波长决定，参数关系为h=λ/[2(n-1)]，其中，h为直四棱柱的高度，λ为入射光的波长，n为相位板的折射率。

在本实施例阵列光斑产生器中，每个菱形结构单元的边长为l=100μm，则对应表1中的结构单元中的几何尺寸为x1=73.5μm，x2=26.5μm。入射光的波长为λ=0.532μm，材料折射率n=1.46，则每个直四棱柱的高度h=0.578μm。

根据以上参数利用常规刻蚀技术可制作出二元相位板。当对应波长为0.532μm的激光经此二元相位板后，可产生非正交排列的阵列光斑。如图4所示，本实施例中所述的非正交排列阵列光斑产生器使一束激光产生的非正交的两维阵列光斑。从图中可以看出，产生了3*3个斜45°阵列排布的光斑。

实施例二

本实施例为一种阵列分束为3*3的非正交排列阵列光斑产生器。

菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，都是θ=45°。所述的相邻两直四棱柱之间按照表1给定的几何位置和间隔规则排列，即以阵列3*3排列，每个直四棱柱的底面都为非直角的平行四边形结构。

本实施例的阵列光斑产生器中，其由若干图1所示的相同结构的结构单元沿菱形相邻两个方向紧密排列组成的，7*7个结构单元以斜120°夹角按照非正交方向排列，此种排列方式下，该阵列光斑产生器的直四棱柱的底面分布示意图，参考图5。

在本实施例阵列光斑产生器中，每个菱形结构单元的边长为l=100μm，结构单元中的几何尺寸同样对应表1中的参数：x1=73.5μm，x2=26.5μm。本实施例与实施例一不同的是菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，其夹角为θ=120°。入射光的波长和材料的折射率同样为：λ=0.532μm，n=1.46，则每个直四棱柱的高度h=0.578μm。

根据以上参数利用常规刻蚀技术可制作出斜120°阵列分布的二元相位板。如图6所示，为波长0.532μm的激光经此二元相位板后，产生的阵列光斑。从图中可以看出，产生了3*3个斜120°阵列排布的光斑。

实施例三

本实施例为一种阵列分束为5*5的非正交排列阵列光斑产生器。

菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，都是θ=30°。所述的相邻两直四棱柱之间按照表1给定的几何位置和间隔规则排列，即以阵列5*5排列，每个直四棱柱的底面都为非直角的平行四边形结构。

本实施例的阵列光斑产生器中，其由若干图1所示的相同结构的结构单元沿菱形相邻两个方向紧密排列组成的，结构单元以斜30°夹角按照非正交方向排列，此种排列方式下，该阵列光斑产生器的1个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图，参考图7。

在本实施例阵列光斑产生器中，每个菱形结构单元的边长为l=100μm，结构单元中的几何尺寸同样对应表1中的参数：x1=34.49μm,x2=26.47μm,x3=35.18μm,x4=3.86μm。菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，其夹角为θ=30°。入射光的波长和材料的折射率同样为：λ=0.532μm，n=1.46，则每个直四棱柱的高度h=0.578μm。

根据以上参数利用常规刻蚀技术可制作出斜30°阵列分布的二元相位板。如图8所示，为波长0.532μm的激光经此二元相位板后，产生的阵列光斑。从图中可以看出，产生了5*5个斜30°阵列排布的光斑。

实施例四

本实施例为一种阵列分束为7*7的非正交排列阵列光斑产生器。

菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，都是θ=145°。所述的相邻两直四棱柱之间按照表1给定的几何位置和间隔规则排列，即以阵列7*7排列，每个直四棱柱的底面都为非直角的平行四边形结构。

本实施例的阵列光斑产生器中，其由若干图1所示的相同结构的结构单元沿菱形相邻两个方向紧密排列组成的，结构单元以斜145°夹角按照非正交方向排列，此种排列方式下，该阵列光斑产生器的1个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图，参考图9。

在本实施例阵列光斑产生器中，每个菱形结构单元的边长为l=100um，结构单元中的几何尺寸同样对应表1中的参数：x1=23.19μm,x2=19.33μm,x3=10.05μm,x4=47.43μm。菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的夹角相等，其夹角为θ=145°。入射光的波长和材料的折射率同样为：λ=0.532μm，n=1.46，则每个直四棱柱的高度h=0.578μm。

根据以上参数利用常规刻蚀技术可制作出斜145°阵列分布的二元相位板。如图10所示，为波长0.532μm的激光经此二元相位板后，产生的阵列光斑。从图中可以看出，产生了7*7个斜145°阵列排布的光斑。

实施例五

本实施例为一种阵列分束为9*9的非正交排列阵列光斑产生器。

菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，都是θ=60°。所述的相邻两直四棱柱之间按照表1给定的几何位置和间隔规则排列，即以阵列9*9排列，每个直四棱柱的底面都为非直角的平行四边形结构。

本实施例的阵列光斑产生器中，其由若干图1所示的相同结构的结构单元沿菱形相邻两个方向紧密排列组成的，结构单元以斜60°夹角按照非正交方向排列，此种排列方式下，该阵列光斑产生器的1个结构单元的直四棱柱的底面分布示意图，参考图11。

在本实施例阵列光斑产生器中，每个菱形结构单元的边长为l=100μm，结构单元中的几何尺寸同样对应表1中的参数：x1=40.80μm,x2=13.29μm,x3=17.16μm,x4=15.86μm,x5=6.22μm,x6=6.66μm。菱形结构单元的一个夹角和直四棱柱的底面平行四边形的的夹角相等，其夹角为θ=60°。入射光的波长和材料的折射率同样为：λ=0.532μm，n=1.46，则每个直四棱柱的高度h=0.578μm。

根据以上参数利用常规刻蚀技术可制作出斜60°阵列分布的二元相位板。如图12所示，为波长0.532μm的激光经此二元相位板后，产生的阵列光斑。从图中可以看出，产生了9*9个斜60°阵列排布的光斑。

可见，本发明的阵列光斑产生器可以产生强度均匀分布的二维非正交阵列光斑，且光斑的数目与排列分布的角度都可根据实际需要进行选择改变。这种非正交的阵列光斑产生器，结构简单，其制作工艺以现有技术的制作条件完全可以轻易实现加工，即该阵列光斑产生器易于加工和复制，成本较低，因此可以广泛的应用。

其它分束数目的阵列光斑的几何参数可以通过优化算法得出如表1中的数据，利用本发明所公开的结构和方法，同样可得到其它分束个数的非正交阵列光斑，本发明在此不再一一列举。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。