激光正在传输历程中光斑的漫衍会产生变迁

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  SooPAT 反射式艾里环衍射光栅 申请号:3.9 申请日:2012-03-06 申请(专利权)人 地址 发现(设想)人 从分类号 分类号 公开(通知布告)号 公开(通知布告)日 专利代办署理机构 代办署理人 浙江农林大学 311300 浙江省杭州市临安市环城北88号 储修祥 陈瑞品 G02B5/18(2006.01)I G02B5/18(2006.01)I 102540303A 2012-07-04 杭州求是专利事务所无限公司 33200 周烽 注:本页蓝色字体部门可点击查询相关专利 (19)中华人平易近国国度学问产权局 *CN102540303A* (10)申请发布号 CN 102540303 A (43)申请发布日 2012.07.04 (12)发现专利申请 (21)申请号 3.9 (22)申请日 2012.03.06 (71)申请人 浙江农林大学 地址 311300 浙江省杭州市临安市环城北 88 号 (72)发现人 储修祥 陈瑞品 (74)专利代办署理机构 杭州求是专利事务所无限公 司 33200 代办署理人 周烽 (51)Int.Cl. G02B 5/18 (2006.01) 要求书 1 页 33 页 要求书 1 页仿单 仿单 页 附图 附图2 2页 (54) 发现名称 反射式艾里环衍射光栅 (57) 摘要 一种反射式艾里环衍射光栅, 呈叠层布局, 由 下至上顺次是基板层 (4) 、 金属反射膜层 (3) 、 半 透半反膜层 (2) 和增透膜层 (1) , 此中的金属反射 膜层由配对的两种分歧金属反射膜 (5, 6) 逐个间 隔拼合成, 呈圆形和同轴环形体例拼合, 半透半反 膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折 射率之间。本光栅通过改变入射光振幅和相位分 布来提高焦平面光强的平均度和鸿沟锐度, 使用 于激光手术、 激光细密加工和激光辐照, 对提高手 术精度, 加工精度和辐照平均度结果十分显著, 解 决了多年来正在上述范畴未采用配套光栅带来的精 度和平均度差的问题。 CN 102540303 A CN 102540303 A 权 利 要 求 书 1/1 页 1. 一种反射式艾里环衍射光栅, 呈叠层布局, 其特征是由下至上顺次是基板层 (4) 、 金 属反射膜层 (3) 、 半透半反膜层 (2) 和增透膜层 (1) , 此中的金属反射膜层由配对的两种不 同金属反射膜 (5, 6) 逐个间隔拼合成, 呈圆形和同轴环形体例拼合, 半透半反膜层的折射率 介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。 2. 如要求 1 所述的反射式艾里环衍射光栅, 其特征是所说的金属反射膜层 (3) 由 金、 银、 铜、 铝和铬中任两种金属反射膜 (5, 6) 拼合成。 3. 如要求 1 所述的反射式艾里环衍射光栅, 其特征是所说的半透半反膜层 (2) 为 氟化镁膜层、 氯化镁膜层或硫化锌膜层中的任一种。 4. 如要求 1 所述的反射式艾里环衍射光栅, 其特征是所说的增透膜层 (1) 为二氧 化硅膜层、 磷酸二氢钾膜层或二氧化钛膜层等中的任一种。 2 CN 102540303 A 说 明 书 1/3 页 反射式艾里环衍射光栅 手艺范畴 [0001] 本发现涉及一种光学元件, 具体是可正在激光医学, 激光加工, 激光辐照等范畴使用 的光栅。 布景手艺 [0002] 现有手艺中, 激光的传输未用光栅对核心光斑的鸿沟锐度和分布平均度进行控 制, 因为衍射的影响, 激光正在传输过程中光斑的分布会发生变化。即便鸿沟锐度相对高、 且 分布较平均的激光, 传输一段距离后, 其锐度和平均度城市变差, 特别是聚焦到核心的光 斑, 这种环境更较着。 为了降服这个问题, 正在激光器的发射端设置一种光强反射系数呈艾里 环分布、 正在光强为零处的相位有 π 跃变的艾里环衍射光栅, 能够大幅度提高核心处光斑的 锐度和平均度。用本艾里环衍射光栅传输的激光进行激光外科手术, 剖切的精度会提高, 剖口面会小而光洁 ; 使用于激光细密加工, 则金属的切割取钻孔精度高, 切面光洁 ; 使用本 光栅, 会使激光辐照更平均, 结果更好。CN101887140 公开了宽带全介质多层膜反射衍射光 栅及其设想方式, CN101750650 公开了多沉衍射光栅, CN1523591 公开了波长选择性衍射光 栅, 正在光栅手艺方面, 这些专利手艺均对社会做出了各自的贡献, 经检索和市场查询拜访, 尚未 发觉相关正在激光外科手术、 金属细密加工、 和激光辐照范畴使用的艾里环衍射光栅的相关 报导和相关产物面市。 发现内容 [0003] 本发现要处理的手艺问题是设想出一种反射式艾里环衍射光栅。 [0004] 处理上述手艺问题采用以下手艺办法 : [0005] 本反射式艾里环衍射光栅, 呈叠层布局, 由下至上顺次是基板层、 金属反射膜层、 半透半反膜层和增透膜层, 此中的金属反射膜层由配对的两种分歧金属反射膜拼合成, 呈 圆形和同轴环形地逐个间隔的体例拼合, 半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射 膜层的折射率之间。 [0006] 所说的金属反射膜层由金、 银、 铜、 铝和铬中任两种反射膜拼合成。 [0007] 所说的半透半反膜层为氟化镁层、 氯化镁层或硫化锌层中的任一种。 [0008] 所说的增透膜层为二氧化硅层、 磷酸二氢钾层或二氧化钛层等中的任一种。 [0009] 本发现的无益结果是本光栅对基板、 金属反射膜、 半透半反膜和增透膜的折射率 和对激光的反射系数进行了合理的选择和搭配, 可以或许无效激光传输中的衍射效应, 提 高焦平面光强分布的平均度和鸿沟锐度, 使用于外科手术和金属加工, 均能显著提高外科 手术的精度和金属加工的精度, 以及辐照的平均度。 附图申明 [0010] 图 1 为本发现的叠层布局示企图 [0011] 图 2 为金属反射膜层两种分歧金属反射膜搭配分布示企图 3 CN 102540303 A [0012] [0013] 说 明 书 2/3 页 图 3 为同相位激光通过半透半反膜层后的相位取半径的关系图 图 4 为增透膜层对激光的透过率随半径变化关系图 具体实施体例 [0014] 下面连系实施例并参照附图予以详述 : 拜见图 1 和图 2, 本反射式艾里环衍射光 栅, 呈叠层布局, 由下至上顺次是基板层 4、 金属反射膜层 3、 半透半反膜层 2 和增透膜层 1, 此中的金属反射膜层 3 由配对的两种分歧金属反射膜 5, 6 逐个间隔拼合成, 呈圆形和同轴 环形体例拼合, 半透半反膜层的折射率介于配对的两种金属反射膜层的折射率之间。 [0015] 所说的金属反射膜层 3 由金、 银、 铜、 铝和铬中任两种反射膜拼合成。 [0016] 所说的半透半反膜层 2 为氟化镁膜层、 氯化镁膜层或硫化锌膜层中的任一种。 [0017] 所说的增透膜层 1 为二氧化硅膜层、 磷酸二氢钾膜层或二氧化钛膜层等中的任一 种。 [0018] 需申明的是反射式艾里环衍射光栅的基板材料选择坚忍、 不易变形、 对光的接收 系数小、 热膨缩系数低和散热快的无机或无机材料。 [0019] 拜见图 2, 本光栅的金属反射膜层 3 可采用如下体例实现 : 正在核心圆形面内镀上一 种金属反射膜, 正在第一个环形面内镀上另一种金属反射膜, 正在第二个环形面内再镀上取中 心圆形面不异的金属反射膜, 以此类推, 逐个间隔, 最终是正在基板上构成两种金属反射膜交 替陈列的多级的圆形区域。环的几多按照具体使用时对光强锐度和平均度的要求确定。环 数越多, 焦平面处光强的锐度和平均度越高。老虎城网站。 [0020] 反射式艾里环衍射光栅各级圆或环的半径 r 的值可由下式推导而得 : [0021] 此中 J1 为一阶贝塞尔函数, z 是确定艾里环衍射光栅各环半径大小的参数。1 至 5 级环半径别离为 r1 = 3.83z, r2 = 7.02z, r3 = 10.17z, r4 = 13.32z, r5 = 16.47z。 [0023] 反射式艾里环衍射光栅的半透半反膜层是通过正在金属反射膜再蒸镀一层半 透半反膜实现。不异相位的激光通过半透半反膜后的相位随半径的变化如附图 3 所示, 其 中横坐标暗示半径, 纵坐标暗示同相位激光通过半透半反膜后的相位。 [0024] 最初再正在半透半反膜层的溅镀一层增透膜, 用增透膜层厚度的变化改变反射 式艾里环衍射光栅的反射系数, 使其满脚反射式艾里环衍射光栅对反射率的要求。当增透 膜层的折射率大于半透半反膜层的折射率, 增透膜层厚度 d 取半径 r 的关系由下列公式确 定: [0022] [0025] 当增透膜层的折射率小于半透半反膜层的折射率, 增透膜层厚度 d 取半径 r 的变 化关系由下列公式确定 : [0026] [0027] 4 CN 102540303 A [0028] 说 明 书 3/3 页 此中 J1 为一阶贝塞尔函数, z 是确定反射式艾里环衍射光栅现实半径大小的参数, n 为增透膜层的折射率, λ 为入射激光的波长。 [0029] 增透膜层对激光的透射率 η 随半径 r 按下列纪律变化 : [0030] 正在半径为 r1 = 3.83z, r2 = 7.02z, r3 = 10.17z, r4 = 13.32z, r5 = 16.47z 形成 的多级圆环, 同相位激光经相邻圆环的鸿沟反射时相位会发生 π 跃变。增透膜层对激光的 透射率如附图 4 所示, 此中纵坐标暗示增透膜层对激光的透射率, 横坐标暗示半径。半透半 反膜层对激光的接收系数很小, 折射率介于其基层的两种金属反射膜层的折射率之间, 上 面临入射光为半透半反, 下面临入射光为全透。 [0032] 本发现之所以可以或许提高焦平面处激光的锐度和平均度, 这是由于正在理论上焦平面 的光强分布能够由菲涅尔衍射积分公式计较求出, 通过解菲涅尔衍射积分公式能够发觉被 这种光栅调制的激光聚焦到焦平面处能够提高光强分布的锐度和平均度。例如, 入射光束 是平面波、 高斯光束, 或贝塞尔光束, 且光束的尺寸大于第一级环半径 (r1 = 3.83z), 用这种 光栅对入射光束的振幅和相位进行调制, 就能够正在核心处获得较高锐度和平均度的光强分 布。 [0033] 增透膜采用耐磨性和抗潮性强的二氧化硅、 磷酸二氢钾或二氧化钛等为原料, 正在 半透半反膜层上通过溅镀实现。 [0034] 基板层的基板做为整个布局的支持底板, 按照力学机能确定底板的材料和厚度。 基板上的金属反射膜层具有较高的反射系数, 由金、 银、 铜、 铝和铬中任两种金属反射膜搭 配而成。 金属反射膜层上的半透半反膜层的材料应拔取折射率介于其基层的金属反射膜层 两种金属折射率之间, 如对铜 ( 折射率为 1.10) 和铝 ( 折射率为 1.44) 形成的金属反射膜 层能够选择氟化镁 ( 折射率为 1.378) 做为半透半反膜层材料, 对金 ( 折射率为 0.47) 和铬 ( 折射率为 2.97) 形成的金属反射膜层能够选择氟化镁 ( 折射率为 1.378)、 氯化镁 ( 折射 率为 1.559)、 或硫酸锌 ( 折射率为 2.358) 中任一种做为半透半反膜层材料, 半透半反膜是 一种比力成熟的产物, 有很多出产厂家, 如市京南使用手艺研究所, 半透半反膜的折射 率正在工艺上还能够通过等方式进行恰当改变。增透膜层溅镀正在半透半反膜的概况, 增 透膜层的材料为透过率高的材料, 如二氧化硅、 磷酸二氢钾和二氧化钛等, 该膜层的厚度变 化通过溅镀实现, 这种溅镀方式手艺成熟, 成本低。 国内的很多厂家如理晶光电材料有 限公司, 都能够定制出产。 [0031] 5 CN 102540303 A 说 明 书 附 图 1/2 页 图1 图2 图3 6 CN 102540303 A 说 明 书 附 图 2/2 页 图4 7