光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件与流程

本发明涉及光学元件加工技术领域，具体而言，涉及一种光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件。

背景技术：

太赫兹波由于具有穿透性好、光子能量低、对生物组织无损伤等优势，而被广泛的应用于各探测系统。现有的太赫兹波段光学元件可以由硅、石英、砷化镓等无机材料，以及聚乙烯、tpx等有机材料制成。

其中，石英材料对红外光具有很高的吸收率，因而，在用于光学成像系统的窗口镜时可以有效地过滤掉红外光的干扰，以得到具有较高信噪比的探测信号。但是，由于石英材料具有较高的表面反射，因而导致存在着较高能量损耗的问题。

为了解决上述问题，在现有技术中，一般会在石英材料的表面镀制膜层结构，以起到降低反射、增加透射的效果。但是，针对太赫兹波，需要镀制的膜层结构厚度较大，存在着不易于制备的问题。因此，提供一种可以替代膜层结构以降低反射、增加透射的技术是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件，以有效、可靠地在石英晶体上制作凹坑结构，以降低石英晶体表面的反射率、提高制备的太赫兹波段光学元件的透过率。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种光学元件制备方法，用于制备太赫兹波段光学元件，所述方法包括：

提供一石英晶体，作为所述太赫兹波段光学元件的本体结构；

通过激光器输出一二氧化碳激光，并通过光学组件对该二氧化碳激光进行调节处理；

通过扫描振镜控制经过调节处理后的二氧化碳激光按照预设的扫描路径作用于所述石英晶体的待处理面，以在该待处理面上沿所述扫描路径依次制作形成多个凹坑结构，以得到包括本体结构和凹坑结构的太赫兹波段光学元件；

其中，所述待处理面为所述石英晶体在光轴方向上的表面，所述凹坑结构用于增加所述石英晶体的透射率。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光学元件制备方法中，所述通过激光器输出一二氧化碳激光，并通过光学组件对该二氧化碳激光进行调节处理的步骤包括：

通过激光器输出一二氧化碳激光；

通过调制器对激光器输出的二氧化碳激光进行调制处理，以将持续的二氧化碳激光转换为具有矩形脉冲波形的二氧化碳激光，其中，该矩形脉冲波形的脉冲上升时间小于1μs、脉冲下降时间小于1μs；

通过聚焦透镜对所述调制器输出的二氧化碳激光进行聚焦处理。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光学元件制备方法中，所述矩形脉冲波形的二氧化碳激光的平均功率为2～8w，且包括多个单脉冲激光，其中，任意相邻两个单脉冲激光之间的间隔时间大于2ms。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光学元件制备方法中，进行聚焦处理后的二氧化碳激光的功率密度大于0.5*10⁶w/cm²，且对应的光斑的直径为20～150μm。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述光学元件制备方法中，所述激光器输出的二氧化碳激光的波长为9～11μm。

在上述基础上，本发明实施例还提供了一种通过上述光学元件制备方法制备的太赫兹波段光学元件，包括：

本体结构，该本体结构为石英晶体；

多个凹坑结构，该多个凹坑结构呈周期性制作于所述本体结构在光轴方向上的表面，以增加所述本体结构的透射率。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述太赫兹波段光学元件中，所述多个凹坑结构呈周期性后，任意相邻两个凹坑结构之间的距离相等以呈正方形状或正六边形状分布。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述太赫兹波段光学元件中，在所述多个凹坑结构中，任意相邻两个凹坑结构之间的距离为预设距离的1/5～1/3，其中，所述预设距离为所述太赫兹波段光学元件所需的太赫兹波长。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述太赫兹波段光学元件中，在所述多个凹坑结构中，任意一个凹坑结构的深度大于任意相邻两个凹坑结构之间的距离的一半。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述太赫兹波段光学元件中，所述多个凹坑结构分别呈周期性制作于所述本体结构在光轴方向上相对的两个表面，且在两个表面上的分布方式相同。

本发明提供的光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件，通过采用石英晶体作为太赫兹波段光学元件的本体结构，并通过二氧化碳激光对石英晶体进行处理，可以有效、可靠地在石英晶体上制作凹坑结构，从而降低石英晶体表面的反射率、提高制备的太赫兹波段光学元件的透过率，极大地提高了光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件的实用价值。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学元件制备方法的流程示意图。

图2为图1所示的光学元件制备方法制备的太赫兹波段光学元件的结构示意图。

图3为图1中步骤s130的流程示意图。

图4为本发明实施例提供的凹坑结构的分布示意图。

图5为本发明实施例提供的凹坑结构的另一分布示意图。

图标：100-太赫兹波段光学元件；110-本体结构；130-凹坑结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种光学元件制备方法，用于制备太赫兹波段光学元件100。其中，所述光学元件制备方法可以包括步骤s110、步骤s130以及步骤s150。

步骤s110，提供一石英晶体，作为所述太赫兹波段光学元件100的本体结构110。

在本实施例中，可以采用石英晶体作为太赫兹波段光学元件100的本体结构110，以使制备得到的太赫兹波段光学元件100在用于光学成像系统的窗口镜时可以有效地过滤掉红外光的干扰，以得到具有较高信噪比的探测信号。

其中，在获取到一石英晶体时还可以根据实际应用需求进行切割。并且，为保证切割得到的石英晶体能够具有较高的透光率(透射率)，可以对该石英晶体进行z切割，以使光束可以在该石英晶体的表面垂直入射。

并且，为保证所述石英晶体表面的清洁，以避免由于存在污渍而导致后续的激光处理效果较差的问题，在本实施例中，还可以对所述石英晶体的表面进行清洗，例如，可以采用超声波或清洁液进行清洗处理。

步骤s130，通过激光器输出一二氧化碳激光，并通过光学组件对该二氧化碳激光进行调节处理。

在本实施例中，为保证对石英晶体处理的有效性，可以采用二氧化碳激光提高石英晶体表面区域的温度以发生气化，从而完成处理。因此，可以设置一激光器，以输出二氧化碳激光。

并且，为提高所述激光器输出的二氧化碳激光的光学性能，以保证对石英晶体的处理具有较高的效率和效果，还可以通过设置的光学组件对所述激光器输出的二氧化碳激光进行调节处理。

步骤s150，通过扫描振镜控制经过调节处理后的二氧化碳激光按照预设的扫描路径作用于所述石英晶体的待处理面，以在该待处理面上沿所述扫描路径依次制作形成多个凹坑结构130，以得到包括本体结构110和凹坑结构130的太赫兹波段光学元件100。

在本实施例中，所述待处理面为所述石英晶体在光轴方向上的表面，也就是说，实际使用过程中光束可以通过该待处理面入射或出射。并且，所述凹坑结构130可以降低入射至该待处理表面的光束的反射率，以增加所述石英晶体的透射率。

可选地，执行步骤s130以对二氧化碳激光进行调节处理的方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，所述光学组件可以包括调制器和聚焦透镜，结合图3，步骤s130可以包括步骤s131、步骤s133以及步骤s135。

步骤s131，通过激光器输出一二氧化碳激光。

在本实施例中，还可以提供一控制组件(如计算机)，该控制组件可以与所述激光器连接，以控制所述激光器是否开启以输出二氧化碳激光。

可选地，所述激光器输出的二氧化碳激光的波长不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，在一种可以替代的示例中，所述激光器输出的二氧化碳激光的波长可以为9～11μm。

步骤s133，通过调制器对激光器输出的二氧化碳激光进行调制处理，以将持续的二氧化碳激光转换为具有矩形脉冲波形的二氧化碳激光。

在本实施例中，所述调制器可以与所述控制组件连接，以使所述调制器可以基于所述控制组件输出的指令对所述激光器输出的二氧化碳激光进行调制，以将持续的二氧化碳激光转换为矩形脉冲波形的二氧化碳激光。也就是说，该二氧化碳激光可以包括多个在时间上呈一定间隔的单脉冲激光。

可选地，在所述矩形脉冲波形的二氧化碳激光中，任意相邻两个单脉冲激光之间的间隔时间不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，为保证任意一单脉冲激光的热量能够得到有效地扩散，任意相邻两个单脉冲激光之间的间隔时间大于2ms。

其中，为保证二氧化碳激光作用的有效性，在所述矩形脉冲波形中，针对上升沿，对应的脉冲上升时间可以小于1μs。同样地，针对下降沿，对应的脉冲下降时间可以小于1μs。

并且，所述矩形脉冲波形的二氧化碳激光整体的平均功率不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，为保证该二氧化碳激光具有较好的效果，平均功率可以为2～8w。

步骤s135，通过聚焦透镜对所述调制器输出的二氧化碳激光进行聚焦处理。

在本实施例中，所述聚焦透镜可以根据需要输出的二氧化碳激光的功率密度和光斑尺寸进行设置。也就是说，在确定作用于所述石英晶体的二氧化碳激光的功率密度和光斑尺寸之后，可以根据该功率密度和光斑尺寸选择对应的聚焦透镜。

详细地，在一种可以替代的示例中，所述聚焦透镜输出的二氧化碳激光的功率密度可以大于0.5*10⁶w/cm²，并且，对应的光斑的直径可以为20～150μm。

请进一步地参照图2，本发明实施例还提供一种太赫兹波段光学元件100，且该太赫兹波段光学元件100可以通过上述的光学元件制备方法制备。其中，所述太赫兹波段光学元件100可以包括本体结构110和凹坑结构130。

详细地，所述本体结构110为石英晶体。所述凹坑结构130可以为多个，且多个所述凹坑结构130可以呈周期性制作于所述本体结构110在光轴方向上的表面，以增加所述本体结构110的透射率。

可选地，所述本体结构110的形状不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，在一种可行的应用示例中，所述本体结构110的表面可以为一平面。在另一种可行的应用示例中，所述本体结构110的表面也可以为非平面(包括，但不限于曲面)，具体的，可以作为透镜以应用。

可选地，所述本体结构110的厚度不受限制，可以根据实际应用需求进行设置。在本实施例中，在一种可以替代的示例中，所述本体结构110的厚度(光轴方向上)可以为2mm。

可选地，所述凹坑结构130的形状不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以根据制作该凹坑结构130的激光的类型进行设置。在本实施例中，所述凹坑结构130在光轴方向上的截面的形状可以为类高斯形，也就是说，该截面的轮廓与高斯曲线相似。并且，所述凹坑在垂直于光轴的方向上的截面的形状可以为圆形。

可选地，多个所述凹坑结构130呈周期性分布的具体方式不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，只要能够保证包括有该多个凹坑结构130的太赫兹波段光学元件100具有较高的透射率即可。例如，在多个所述凹坑结构130中，任意相邻两个凹坑结构130之间的距离相等。

其中，在一种示例中，结合图4，多个所述凹坑结构130可以呈矩阵阵列分布。也就是说，各所述凹坑结构130在所述本体结构110上可以呈正方形状分布，具体地，任意一个凹坑结构130可以与相邻的其它三个凹坑结构130组成一正方形。

在另一种示例中，结合图5，多个所述凹坑结构130可以呈“z”字型或折线型分布。也就是说，各所述凹坑结构130在所述本体结构110上可以呈正六边形分布，具体地，针对任意一个周围环绕有六个凹坑结构130的凹坑结构130，该六个凹坑结构130可以组成一正六边形。

可选地，在多个所述凹坑结构130中，任意相邻两个凹坑结构130之间的距离不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以根据制备的所述太赫兹波段光学元件100所需的太赫兹波长进行设置，也就是说，可以根据需要通过所述所述太赫兹波段光学元件100透射的光束的波长进行设置。

在本实施例中，为保证所述所述太赫兹波段光学元件100对太赫兹波段的光束具有较高的透射率，任意相邻两个凹坑结构130之间的距离为预设距离的1/5～1/3。其中，所述预设距离为所述太赫兹波段光学元件100所需的太赫兹波长。

详细地，在一种可以替代的示例中，在如图4所示的分布方式中，任意相邻两个凹坑结构130之间的距离可以为120μm。

可选地，在多个所述凹坑结构130中，任意一个凹坑结构130深度不受限制，可以根据实际应用需求进行设置，例如，可以根据任意相邻两个凹坑结构130之间的距离进行设置。在本实施例中，任意一个凹坑结构130的深度可以大于任意相邻两个凹坑结构130之间的距离的一半。

详细地，在一种可以替代的示例中，在如图4所示的分布方式中，任意一个凹坑结构130的深度可以为100μm。

为进一步提高制备的太赫兹波段光学元件100的透射率，在本实施例中，还可以将多个所述凹坑结构130分别制作于所述本体结构110在光轴方向上相对的两个表面。

也就是说，在上述光学元件制备方法的步骤s150中，可以分别沿预设的扫描路径在本体结构110在光轴方向上相对的两个表面制作凹坑结构130。

并且，为了保证所述太赫兹波段光学元件100具有较高的透光率，多个所述凹坑结构130在两个表面上的分布方式相同，也就是说，一个表面上的凹坑结构130呈正方形状分布时、另一个表面上的凹坑结构130也呈正方形状分布，或者说一个表面上的凹坑结构130呈正六边形状分布时、另一个表面上的凹坑结构130也呈正六边形状分布。并且，两个表面上的凹坑结构130的数量相同，以在光轴方向上形成一一对应的关系。

通过上述设置，可以保证制备的太赫兹波段光学元件100对波长大于300μm、频段在0.1～1thz范围内的光束具有较高的透射率，也就是说，可以有效地避免该光束在太赫兹波段光学元件100发生菲涅尔反射。

详细地，为制备具有任意相邻两个凹坑结构130之间的距离为120μm、任意一个凹坑结构130的深度为100μm特征的太赫兹波段光学元件100，在上述光学元件制备方法的步骤s150中采用的激光的参数可以为，平均功率为2w、聚焦光斑的直径为100μm、脉冲间隔为2ms。

综上所述，本发明提供的光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件100，通过采用石英晶体作为太赫兹波段光学元件100的本体结构110，并通过二氧化碳激光对石英晶体进行处理，可以有效、可靠地在石英晶体上制作凹坑结构130，从而降低石英晶体表面的反射率、提高制备的太赫兹波段光学元件100的透过率，极大地提高了光学元件制备方法和太赫兹波段光学元件100的实用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。