CN104007553A - 一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光学器件领域的一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，所述衍射光学光束整形器件组成包括由衍射光学元件和凸透镜组成和由衍射光学元件和凹透镜组成两种方案；其衍射光学元件和透镜做成单独的部件或是直接将衍射光学元件制作到凸透镜的平面或曲面上均可；然后根据衍射距离和衍射光学元件尺寸和需要的有效衍射场尺寸设计透镜焦距；再根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离和衍射光学元件采样间隔设计衍射光学元件相位分布，该方法的特点是在扩大有效衍射场的同时，还可获得较好的光束整形效果；实现光场相位调制和/或振幅调制；这种器件可用于激光制造、全息二维/三维显示、游戏、娱乐等领域。

Description

一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法

技术领域

本发明属于光学器件领域，特别涉及一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，具体说是利用基于衍射原理的光束整形器件，在扩大有效衍射场的同时，还可获得较好的光束整形效果。

背景技术

在激光制造、全息二维/三维显示、游戏、娱乐等领域，通常需要特定的二维/三维光场分布，例如均匀点阵、非均匀点阵、平顶超高斯分布等。这些分布可由光束整形器件或系统来实现，其中基于衍射原理的光束整形器件，包括二元光学器件、全息光学元件等是实现这些分布的有效手段。衍射光学光束整形器件的有效衍射场尺寸(以一维为例)为L_z＝λz/Δx₀，其中z为衍射距离，Δx₀为衍射光学元件的采样间隔，λ为波长，L_z为有效衍射场尺寸。随着衍射距离z的增大、衍射光学元件采样间隔的减小、波长增大，有效衍射场也随之增大。但是为了减小光束整形系统的体积，需要在同样的衍射距离和波长时获得扩大的有效衍射场，传统的办法只能是减小衍射光学元件采样间隔，但是受加工工艺限制，衍射光学元件的采样间隔不可能太小。此时，仅采用传统的光束整形器件或系统已不能满足要求，因此，研究一种在相同衍射光学元件采样间隔、衍射距离、波长情形下，扩大光束整形器件有效衍射场的方法，在实际应用中具有很大的现实意义。现有技术中目前还没有相关技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，其特征在于，所述衍射光学光束整形器件组成包括由衍射光学元件和凸透镜组成和由衍射光学元件和凹透镜组成两种方案；

一种是由衍射光学元件和凸透镜组成的衍射光学光束整形器件，其中，一种是衍射光学元件和凸透镜做成单独的部件，另一种是直接将衍射光学元件制作到凸透镜的一侧表面上，平面或曲面上均可；然后根据衍射距离和衍射光学元件尺寸和需要的有效衍射场尺寸设计透镜焦距；再根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离和衍射光学元件采样间隔设计衍射光学元件相位分布，从而获得扩大了的整形光束；

另一种是由衍射光学元件和凹透镜组成的衍射光学光束整形器件，其中，一种是衍射光学元件和凹透镜做成单独的部件，另一种是直接将衍射光学元件制作到凸透镜的一侧表面上，平面或曲面上均可；然后根据衍射距离和衍射光学元件尺寸和需要的有效衍射场尺寸设计透镜焦距；再根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离和衍射光学元件采样间隔设计衍射光学元件相位分布，从而获得扩大了的整形光束；

设透镜焦距为f,则对于凸透镜，f≤zL₀/(L_z+L₀)，对于凹透镜，f≤zL₀/(L_z-L₀)。

所述衍射距离和需要的有效衍射场尺寸对应所述的凸透镜的焦距，在某一衍射距离处，透镜焦距越短，有效衍射场尺寸越大；不同的期望的衍射场光强分布对应不同的衍射光学元件相位分布。

所述衍射距离和需要的有效衍射场尺寸对应所述的凹透镜焦距，在某一衍射距离处，透镜焦距越短，有效衍射场尺寸越大；不同的期望的衍射场光强分布对应不同的衍射光学元件相位分布。

所述衍射光学元件为二元光学元件、全息光学元件、微纳光学元件或空间光调制器，以实现光场相位调制和/或振幅的调制；

本发明的有益效果是在该方法可以使在相同的衍射距离处，扩大了有效衍射场，从而可有效减小光束整形系统尺寸，或者可在较近距离处显示较大衍射图案。该光束整形器件可用于激光制造、全息二维/三维显示、游戏、娱乐等领域。

附图说明

图1为衍射光学元件尺寸Lz和z关系示意图；

图2为衍射光学元件加凸透镜结构的光束整形器件示意图；

图3为衍射光学元件加凹透镜结构的光束整形器件示意图；

图4为期望的整形光斑1；

图5为加凸透镜情况下要在800mm处获得170mm整形光斑1时所优化的相位分布图；

图6为期望的整形光斑2；

图7为加凹透镜情况下要在800mm处获得146mm整形光斑2时所优化的相位分布图；

图8为设计输出示意图；

具体实施方式

本发明提供一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，下面结合附图和示例方式对本发明作进一步详细描述，应该理解的是下面示例仅仅用于解释的目的，而非对本发明进行限制。

在图1、2、3中，所述衍射光学光束整形器件组成包括由衍射光学元件和凸透镜组成和由衍射光学元件和凹透镜组成两种方案；

(1)根据衍射距离和衍射光学元件尺寸、需要的有效衍射场尺寸等参数设计透镜焦距f，对于凸透镜，f≤zL₀/(L_z+L₀)，对于凹透镜，f≤zL₀/(L_z-L₀)。其中L₀为衍射光学元件尺寸。

(2)根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离等参数，设计衍射光学元件相位分布。

(3)加工相应焦距的透镜和相应相位分布的衍射光学元件，或者直接将衍射光学元件制作到具有相应焦距的透镜的一侧表面(平面或曲面均可)上。此外，衍射光学元件的相位分布还可由空间光调制器产生。

实施例1：衍射光学元件加凸透镜结构的光束整形器件

衍射光学元件参数为：采样间隔Δx₀＝Δy₀＝8μm，采样数N_x＝N_y＝1080，波长λ＝632.8nm。需要在衍射距离800mm处获得最大尺寸170mm，如图4所示的整形光斑1。根据L_z＝λz/Δx₀，有效衍射场最大尺寸为63.28mm，无法满足要求。而采用本方法则可以实现。计算得到的凸透镜焦距最大为38.7mm，本例采用的凸透镜焦距也是38.7mm，设计得到的相位分布如图5所示。

实施例2：衍射光学元件加凹透镜结构的光束整形器件

衍射光学元件参数和激光器波长同实施例1。要在800mm处获得最大尺寸146mm，如图6所示的整形光斑2。则凹透镜最大焦距的计算结果为50.3mm，设计得到的位相分布图如图7所示。

图8为设计输出示意图。

Claims (4)

1.一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，其特征在于，所述衍射光学光束整形器件组成包括由衍射光学元件和凸透镜组成和由衍射光学元件和凹透镜组成两种方案；

一种是由衍射光学元件和凸透镜组成的衍射光学光束整形器件，其中，一种是衍射光学元件和凸透镜做成单独的部件，另一种是直接将衍射光学元件制作到凸透镜的一侧表面上，平面或曲面上均可；然后根据衍射距离和衍射光学元件尺寸和需要的有效衍射场尺寸设计透镜焦距；再根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离和衍射光学元件采样间隔设计衍射光学元件相位分布，从而获得扩大了的整形光束；

另一种是由衍射光学元件和凹透镜组成的衍射光学光束整形器件，其中，一种是衍射光学元件和凹透镜做成单独的部件，另一种是直接将衍射光学元件制作到凸透镜的一侧表面上，平面或曲面上均可；然后根据衍射距离和衍射光学元件尺寸和需要的有效衍射场尺寸设计透镜焦距；再根据期望的衍射场光强分布和透镜焦距、衍射距离和衍射光学元件采样间隔设计衍射光学元件相位分布，从而获得扩大了的整形光束；

设透镜焦距为f,则对于凸透镜，f≤zL₀/(L_z+L₀)，对于凹透镜，f≤zL₀/(L_z-L₀)。其中L₀为衍射光学元件尺寸；L_z为有效衍射场尺寸。

2.根据权利要求1所述一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，其特征在于，所述衍射距离和需要的有效衍射场尺寸对应所述的凸透镜的焦距，在某一衍射距离处，透镜焦距越短，有效衍射场尺寸越大；不同的期望的衍射场光强分布对应不同的衍射光学元件相位分布。

3.根据权利要求1所述一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，其特征在于，所述衍射距离和需要的有效衍射场尺寸对应所述的凹透镜焦距，在某一衍射距离处，透镜焦距越短，有效衍射场尺寸越大；不同的期望的衍射场光强分布对应不同的衍射光学元件相位分布。

4.根据权利要求1所述一种扩大衍射光学光束整形器件有效衍射场的方法，其特征在于，所述衍射光学元件为二元光学元件、全息光学元件、微纳光学元件或空间光调制器，以实现光场相位调制和/或振幅的调制。