專利名稱：一種多圓環(huán)光束整形器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束整形器及其制作方法，特別是涉及一種能產(chǎn)生各圓環(huán)位置和 強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束變換方法。
背景技術(shù)：
在高強(qiáng)激光束的應(yīng)用領(lǐng)域，由于激光束的固有特性，經(jīng)常需要對(duì)激光束的波面、光 強(qiáng)分布、光斑的形狀與大小進(jìn)行相應(yīng)的變換以滿足應(yīng)用的要求，傳統(tǒng)的光學(xué)元件很難實(shí)現(xiàn) 激光光束的這種變換。這里所涉及的高強(qiáng)激光束的功率為千瓦級(jí)。由于衍射光學(xué)元件能靈活、高效的對(duì)光束波前進(jìn)行整形和變換，人們提出 了利用其來產(chǎn)生單圓環(huán)分布的輸出光斑，如文獻(xiàn)1 :“Boyko，0.，T. A. Planchon, et al. (2005). “ Adaptive shaping of a focusedintense laser beam into a doughnut mode. “ Optics Communications246 (1-3) :131_140. ”中公開的技術(shù)，如文獻(xiàn) 2 :‘‘Li，Q.， H.Gao, etal. (1998). " Investigation of diffractive optical element forshaping a Gaussian beam into a ring-shaped pattern. " Optics &Laser Technology 30(8) 511-514. ”中公開的技術(shù)。又有利用二元光學(xué)元件來實(shí)現(xiàn)等間距、均勻分布的多圓環(huán)輸出光 斑。如專利1:“周常河；賈佳；劉立人。圓環(huán)形達(dá)曼光柵。申請(qǐng)?zhí)?03228475. 6”中公開的 技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中一般將入射光束變換為單圓環(huán)分布以及多圓環(huán)等間距、均勻強(qiáng)度分布 光斑，如果要產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束，用以往的技術(shù)不能滿足要求。 例如在激光熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中，需要一種產(chǎn)生非等間距、非均勻強(qiáng)度多圓環(huán)分布的光束整形器， 來對(duì)光束進(jìn)行變換，使活塞表面預(yù)熱到給定的溫度分布，來模擬活塞在不同工況下的熱負(fù) 荷(高周疲勞、低周疲勞)。例如，在其它應(yīng)用當(dāng)中，可能需要產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分 布的多圓環(huán)光束。因此，研究一種能產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束整形器的設(shè)計(jì)和 制作方法，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。但是現(xiàn)有技術(shù)中一直沒有這方面的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分 布的多圓環(huán)光束整形器及其制作方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種用于產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束整形器的制作方法，包括 如下步驟1)根據(jù)各個(gè)同心圓環(huán)的位置和強(qiáng)度計(jì)算光束整形器相位；2)根據(jù)相位數(shù)據(jù)量化后的參數(shù)制作模板；3)利用模板進(jìn)行多次光刻和刻蝕過程，得到所需相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)，從而制得光束整 形器。
進(jìn)一步，在上述技術(shù)方案中，所述步驟1)具體包括如下步驟(1)首先根據(jù)能量比例分割光束整形器輸入面孔徑，使其成為多個(gè)圓環(huán)區(qū)域，每個(gè) 圓環(huán)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于輸出面上的一個(gè)圓環(huán)區(qū)域；根據(jù)光束整形器輸出面上各個(gè)環(huán)的強(qiáng)度之比及其半徑大小，算出輸出面上各個(gè)圓 環(huán)的能量之比；由于輸入面上每個(gè)圓環(huán)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于輸出面上的一個(gè)圓環(huán)區(qū)域，根據(jù)能 量守恒，可得到輸入面上的對(duì)應(yīng)圓環(huán)位置，其中設(shè)定輸入光為平面波，計(jì)算公式(1)如下
Ei、E2、E3、……、En是輸出面上各個(gè)圓環(huán)上的能量，Ettrtal是輸出面上的總能量；riQ、 是輸入面上第i個(gè)圓環(huán)的內(nèi)外半徑，R是整個(gè)輸入面的半徑。使通過輸入面上每個(gè)圓環(huán)上半徑r處的光傳輸?shù)捷敵雒嫔蠈?duì)應(yīng)圓環(huán)上半徑R處， 根據(jù)能量守恒，可求得R與r的關(guān)系，如公式(2)所示 Ric^Ri是輸出面上第i個(gè)圓環(huán)的內(nèi)外半徑。(2)利用二元光學(xué)的相位梯度分布，使得輸入面上r處的光傳播到輸出面上相應(yīng) 位置R處，公式如(3)所示 其中λ是入射光束的波長，ζ是輸入面到輸出面的距離，Φ (r)是輸入面上相位分 布。將由公式(3)所得到的R(r)代入公式⑵中，得到下式⑷
(3)

(4)
將相位離散化數(shù)值求解 設(shè)ΔΓ為采樣間隔，從而可以得到輸出面上的初始相位分布。(3)當(dāng)輸出圓環(huán)尺寸較大時(shí)，此時(shí)要想得到理想的輸出結(jié)果，輸入面的采樣需要很 密，線寬很細(xì)。由于線寬受制作條件的限制，一般10微米以下的時(shí)候加工制作誤差很大，并 且不容易控制，因而線寬小于10微米時(shí)不能滿足制作工藝要求。此時(shí)需要采取折衍混合的 方法來滿足制作工藝要求。即輸入面采樣平凹透鏡，在其平面刻蝕臺(tái)階結(jié)構(gòu)來制作光束整 形器。此時(shí)需要根據(jù)初始相位分布求出最小逼近相位分布的球面波，根據(jù)該球面波算出所 需要的平凹透鏡的焦距，以選擇平凹透鏡，將初始相位減去凹透鏡位所得的剩余相位，即為 衍射面上相位分布。(4)根據(jù)輸出面上光強(qiáng)分布公式如式(6) 其中，=P為輸出面上點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，ΔΓ為采樣間距，Cik為衍射 面的初始相位分布。將上步算出的初始相位分布，代入公式(6)中，即可以求出輸出面上的光強(qiáng)分布。如果采用折衍混合方法時(shí)，此時(shí)輸出面光束效果不理想，可以根據(jù)爬山優(yōu)化算法來將相位 進(jìn)行優(yōu)化，使得輸出光束盡可能滿足設(shè)計(jì)要求。相位設(shè)計(jì)部分是整個(gè)光束整形器的基礎(chǔ)，決 定著制作出的光束整形器是否滿足實(shí)際要求，所以反復(fù)的程序驗(yàn)證和優(yōu)化是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)， 直到最后得到滿足實(shí)際需要最優(yōu)的相位分布。在上述技術(shù)方案中，所述步驟2)具體包括如下步驟(1)為了得到更加精確的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以選用多臺(tái)階的相位結(jié)構(gòu)，一般選擇八臺(tái) 階。首先需要將相位量化為Jij/2和π/4的三組數(shù)據(jù)，制作三塊模板。利用Ledit軟件 畫出模板加工需要的相位圖。由于三塊模板有后續(xù)的套刻對(duì)準(zhǔn)問題，所以需要在模板上畫 上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記一般為十字和方框圖形，一定要根據(jù)刻蝕的工藝要求來設(shè)計(jì)位置和 大小。然后根據(jù)加工相位圖，利用電子束直寫的方法來制作模板。(2)如果是采用折衍混合的方法，由于光束整形器要在平凹透鏡的一面刻蝕相位 而得到，因此需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)和加工需求選擇材料和工藝參數(shù)。目前由于石英的應(yīng)用普 遍性和加工工藝的成熟性，一般采用石英做為光束整形器的材料。在上述技術(shù)方案中，所述步驟3)具體包括如下步驟臺(tái)階型輪廓的二元光學(xué)器件是利用標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝制作的，采用 減法工藝來完成刻蝕。首先制作黑白圖樣的掩模版，利用光刻技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)印到涂有基片 表面的光刻膠上，再經(jīng)過刻蝕技術(shù)將光刻膠表面圖形轉(zhuǎn)印到基底上，在基底表面形成臺(tái)階 結(jié)構(gòu)，多次重復(fù)上述工藝過程，就可制作成多臺(tái)階表面浮雕輪廓相位型器件。其中，光刻階段包括表面清潔處理、甩膠、前烘、曝光、顯影五部分，一般情況下清 潔處理后也需要一步烘干基片的處理，從而更容易上膠。表面清潔處理是光刻的第一步，需 要在凈化工作臺(tái)上用丙酮溶液來擦拭，將基片完全處理干凈。甩膠過程是在清潔處理后的 基片表面涂上一層光刻膠，用臺(tái)式勻膠機(jī)將表面光刻膠甩均勻。前烘過程是將甩膠后的基 片放到烘干臺(tái)上，將烘干臺(tái)溫度調(diào)至100度左右，放置5分鐘左右，用來去除光刻膠中溶劑， 使光刻膠牢牢的粘附在基片上。然后將基片拿下，使基片在室溫下冷卻后，在深紫外光刻機(jī)上進(jìn)行光刻。將基片放 在基片槽內(nèi)，并將做好的模板取出，放于光刻機(jī)支架上。通過調(diào)整基片和模板的位置來使兩 者的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行深紫外曝光，將模板上的圖形轉(zhuǎn)印到光刻膠上。曝光結(jié)束后，將基片放到顯影液中顯影，曝光時(shí)透光部分的光刻膠就被顯影液洗 掉，不透光的部分被保護(hù)起來。拿出基片并用水沖洗干凈后，將基片吹干，放到顯微鏡下觀 察光刻膠條紋，檢查是否光刻完全。如果條紋殘缺不完整，則需要從清潔開始重復(fù)光刻的各 個(gè)步驟，直到條紋完整，光刻完全為止。通過上述方法制得的光束整形器，包括光束整形器本體，光束整形器本體上有相 互對(duì)應(yīng)的光束輸入面和光束輸出面，光束輸入面上設(shè)置有多個(gè)同心圓環(huán)，同心圓環(huán)上具有 相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)。光刻結(jié)束后，將表面帶有光刻膠圖形的基片放到離子束刻蝕裝置中進(jìn)行刻蝕。為 了避免基片在刻蝕過程中表面溫度過高而使光刻膠變質(zhì)，在刻蝕前先在基片背面涂上一層 真空硅脂，利用真空硅脂很好的導(dǎo)熱作用來保護(hù)光刻膠圖形。將基片放在豎直的工作臺(tái)上， 將程序調(diào)整好，關(guān)上離子束刻蝕裝置的門，進(jìn)行3個(gè)多小時(shí)的抽真空過程。當(dāng)抽真空結(jié)束 后，利用反應(yīng)氣體三氟甲烷對(duì)石英基片進(jìn)行刻蝕。當(dāng)刻蝕都結(jié)束后，將真空室中沖氮?dú)?，?br> 7到內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，打開門取出基片，將基片清潔干凈后，整個(gè)基片的加工完成。本發(fā)明的 方法制作出的光束整形器，可以產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束，對(duì)實(shí)際應(yīng) 用具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。


圖1為圓環(huán)加工相位示意圖；圖2為減法刻蝕法制作8臺(tái)階相位過程圖；圖3為光刻前三個(gè)階段示意圖；圖4為活塞表面激光作用區(qū)域示意5為圓環(huán)設(shè)計(jì)輸出示意圖；圖6為輸入面初始相位分布圖；圖7為輸出面光強(qiáng)二維分布圖；圖8為變換后光束作用在活塞表面所測(cè)的高周熱沖擊溫度波動(dòng)范圍。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和示例方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，應(yīng)該理解的是下面示例僅 僅用于解釋的目的，而非對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制如圖1-8所示，本發(fā)明提供了一種光束整形器制作方法，用于產(chǎn)生各圓環(huán)位置和 強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束，包括如下步驟1)根據(jù)各個(gè)同心圓環(huán)的位置和特定強(qiáng)度比例，計(jì)算光束整形器相位；2)將相位數(shù)據(jù)量化的參數(shù)后制作模板；3)利用模板對(duì)基片進(jìn)行光刻和刻蝕過程，以得到所需相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)，從而制得光 束整形器。容易理解的是，本發(fā)明所述的多個(gè)圓環(huán)，為至少兩個(gè)圓環(huán)，3個(gè)、4個(gè)或更多個(gè)均可 以實(shí)現(xiàn)，下面以激光熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中所需的三圓環(huán)、非等間距、非均勻強(qiáng)度光束分布為例，來 介紹具體的設(shè)計(jì)和制作步驟，其中所列舉的參數(shù)僅僅是示例性的，本發(fā)明可以選擇其他參數(shù)。一、在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)計(jì)要求具體如下，熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中所要求的輸出光強(qiáng)分布可 表示為
Iv R
0’ J e[i ，i 2]U[i 3,i 4]U[i 5,co]其中，I1UjP 13分別為內(nèi)、中、外環(huán)的相對(duì)平均功率密度，各環(huán)的內(nèi)、外半徑用Ri (i =1-5)表示。其光強(qiáng)分布 I1 I2 I3 = 667 23. 8 1634. 5，R1 = 3mm, R2 = 8. 5mm, R3 = 12. 5mm, R4 = 42. 5mm, R5 = 55mm。且輸入激光參數(shù)波長 1. 06um, 口徑 Φ 50mm，功率 3000瓦，工作方式連續(xù)。二、設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，由各個(gè)同心圓環(huán)的位置和強(qiáng)度比關(guān)系利用幾何變換方法進(jìn)
8行相位分析，由于輸出圓環(huán)尺寸較大，從而對(duì)應(yīng)的采樣間距在10微米以下，因而需根據(jù)折 衍混合的方法來使制作得以實(shí)現(xiàn)，來滿足輸出光束滿足預(yù)設(shè)要求，從而得到光束整形器相 位。其中幾何變換主要是根據(jù)要求中所期望的多圓環(huán)的位置和強(qiáng)度比關(guān)系，并利用能量守 恒定律來進(jìn)行相位分析，應(yīng)該理解的是下面的計(jì)算方法僅僅是多種實(shí)現(xiàn)方法中的一種；折 衍混合的方法是所設(shè)計(jì)相位的制作實(shí)現(xiàn)方法。 (i)首先根據(jù)能量比例分割輸入面孔徑，使其成為三個(gè)圓環(huán)區(qū)域，每個(gè)圓環(huán)區(qū)域分
別對(duì)應(yīng)于輸出面上的三個(gè)圓環(huán)區(qū)域。根據(jù)輸出面上三個(gè)環(huán)的平均功率密度之比及其半徑大
小，算出輸出面上三個(gè)圓環(huán)的能量之比為3 1 996。由于每個(gè)圓環(huán)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于輸
出面上的三個(gè)圓環(huán)區(qū)域，所以可得到輸入面上的對(duì)應(yīng)三個(gè)圓環(huán)位置，計(jì)算公式(2)如下 .2 其中Γι為輸入面最內(nèi)環(huán)的半徑，r2為輸入面中間圓環(huán)的外半徑，r3為輸入面最外 圓環(huán)的外半徑。使通過輸入面上半徑r處環(huán)的光傳輸?shù)捷敵雒嫔蠈?duì)應(yīng)半徑R處的環(huán)上，根據(jù)能量 守恒，可求得R與r的關(guān)系，如公式(3)所示 其中第一個(gè)圓環(huán)r10 = 0mm, T1 = 1. 37mm, R10 = 0mm, R1 = 3mm.第二個(gè)圓環(huán)r20 = 1. 37mm, r2 = 1. 58mm, R20 = 8. 5mm, R2 = 12. 5mm第三個(gè)圓環(huán)r30 = 1. 58mm, r3 = 25mm, r30 = 42. 5mm, R3 = 55mm(ii)利用二元光學(xué)的相位梯度分布，使得輸入面上r處的光傳播到輸出面上相應(yīng) 位置R處，公式如⑷所示 其中λ是入射光束的波長，ζ是輸入面到輸出面的距離，Φ (r)是輸入面上相位分 布。將由公式⑷所得到的R(r)代入公式⑶中，得到下式(5) 將相位離散化數(shù)值求解
設(shè)ΔΓ為采樣間隔，取C^1 = 0，從而可以得到輸出面上的初始相位分布t
根據(jù)初始相位分布求出最小逼近相位分布的球面波，由此可以算出所需要的平凹 透鏡的焦距為500mm。將初始相位減去凹透鏡位所得的剩余相位，即為衍射面(輸入面)上 相位分布。在利用上述方法執(zhí)行計(jì)算過程中，由于采樣間隔ΔΓ的大小有一定限制，不是無 限小，因此計(jì)算出的相位分布不是最優(yōu)的，需要進(jìn)一步對(duì)該數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，進(jìn)一步包括優(yōu)化步驟根據(jù)爬山優(yōu)化算法對(duì)相位進(jìn) 行優(yōu)化，使得最終得到的相位分布能使輸出光束滿足預(yù)設(shè)要求。(iii)根據(jù)輸出面光場分布公式如式(7)
(7 )其中，
為輸出面上點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，ΔΓ為采樣間距，Cik為衍射
面的初始相位分布。將上步算出的初始相位分布，代入公式(7)中，即可以求出輸出面上的光強(qiáng)分布， 選擇輸出面采樣間隔為0. Imm0然后可以根據(jù)爬山優(yōu)化算法來將相位進(jìn)行優(yōu)化，使得輸出光 束盡可能滿足設(shè)計(jì)要求。其中，輸出面三個(gè)環(huán)的效率為98. 65%，三個(gè)環(huán)帶的均方根誤差分 別為 0. 4544,0. 2736,0. 1483。2.模板制作和平凹透鏡選擇，具體包括如下步驟(1)為了得到更加精確的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以選用多臺(tái)階的相位結(jié)構(gòu)，一般選擇八臺(tái) 階。首先需要將相位量化為Jij/2和π/4的三組數(shù)據(jù)，制作三塊模板。利用Ledit軟件 畫出模板加工需要的相位圖。由于三塊模板有后續(xù)的套刻對(duì)準(zhǔn)問題，所以需要在模板上畫 上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記一般為十字和方框圖形，一定要根據(jù)刻蝕的工藝要求來設(shè)計(jì)位置和 大小。然后根據(jù)加工相位圖，利用電子束直寫的方法來制作模板。(2)由于光束整形器要在平凹透鏡的一面刻蝕相位而得到，因此需要根據(jù)實(shí)際設(shè) 計(jì)和加工需求選擇材料和工藝參數(shù)。目前由于石英的應(yīng)用普遍性和加工工藝的成熟性，采 用石英做為光束整形器的材料。其中，平凹透鏡的加工參數(shù)選為基片尺寸Φ 60 X 5mm材料JGSl焦距5OOmm波長輸入波長1. 06um應(yīng)該理解的是，對(duì)于上面所執(zhí)行的步驟，可以利用預(yù)編好的程序來執(zhí)行，可以提高 計(jì)算效率，加快計(jì)算過程。3、光刻和刻蝕，具體包括如下步驟臺(tái)階型輪廓的二元光學(xué)器件是利用標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝制作的，采用 減法工藝來完成刻蝕。首先制作黑白圖樣的掩模版，利用光刻技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)印到涂有基片 表面的光刻膠上，再經(jīng)過刻蝕技術(shù)將光刻膠表面圖形轉(zhuǎn)印到基底上，在基底表面形成臺(tái)階 結(jié)構(gòu)，多次重復(fù)上述工藝過程，就可制作成多臺(tái)階表面浮雕輪廓相位型器件。由于本基片為 八臺(tái)階，所以需要三次套刻。即先用第一塊模板進(jìn)行光刻和刻蝕，然后用第二塊模板與基片 進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再進(jìn)行一次光刻和刻蝕，最后用第三塊模板再與基片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行最后一次光刻和刻蝕。其中，光刻階段包括表面清潔處理、甩膠、前烘、曝光、顯影五部分，一般情況下清 潔處理后也需要一步烘干基片的處理，從而更容易上膠。表面清潔處理是光刻的第一步，需 要在凈化工作臺(tái)上用丙酮溶液來擦拭，將基片完全處理干凈。甩膠過程是在清潔處理后的 基片表面涂上一層光刻膠，用臺(tái)式勻膠機(jī)將表面光刻膠甩均勻。前烘過程是將甩膠后的基 片放到烘干臺(tái)上，將烘干臺(tái)溫度調(diào)至100度左右，放置5分鐘左右，用來去除光刻膠中溶劑， 使光刻膠牢牢的粘附在基片上。然后將基片拿下，使基片在室溫下冷卻后，在深紫外光刻機(jī)上進(jìn)行光刻。將基片放 在基片槽內(nèi)，并將做好的模板取出，放于光刻機(jī)支架上。通過調(diào)整基片和模板的位置來使兩 者的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行深紫外曝光40秒，將模板上的圖形轉(zhuǎn)印到光刻膠上。曝光結(jié)束后，將基片放到顯影液中顯影，曝光時(shí)透光部分的光刻膠就被顯影液洗 掉，不透光的部分被保護(hù)起來。拿出基片并用水沖洗干凈后，將基片吹干，放到顯微鏡下觀 察光刻膠條紋，檢查是否光刻完全。如果條紋殘缺不完整，則需要從清潔開始重復(fù)光刻的五 個(gè)部分，直到條紋完整，光刻完全為止。光刻結(jié)束后，將表面帶有光刻膠圖形的基片放到離子束刻蝕裝置中進(jìn)行刻蝕。為 了避免基片在刻蝕過程中表面溫度過高而使光刻膠變質(zhì)，在刻蝕前先在基片背面涂上一層 真空硅脂，利用真空硅脂很好的導(dǎo)熱作用來保護(hù)光刻膠圖形。將基片放在豎直的工作臺(tái)上， 將程序調(diào)整好，關(guān)上離子束刻蝕裝置的門，進(jìn)行3個(gè)多小時(shí)的抽真空過程。當(dāng)抽真空結(jié)束 后，利用反應(yīng)氣體三氟甲烷對(duì)石英基片進(jìn)行刻蝕。三次刻蝕的深度不同，第一次到第三次刻 蝕深度分別為1. 18微米，0.59微米，0.30微米。當(dāng)刻蝕都結(jié)束后，將真空室中沖氮?dú)?，?到內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，打開門取出基片，將基片清潔干凈后，整個(gè)基片的加工完成。將加工完 成的光束整形器放置在激光熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，利用轉(zhuǎn)換片對(duì)激光光束的變換所產(chǎn)生的三 圓環(huán)光束對(duì)活塞進(jìn)行了熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)。將變換后的光束作用在活塞頂表面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 能使活塞表面各區(qū)域的溫度達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的溫度范圍，即外環(huán)最高溫度341°C、第二環(huán)最 高溫度318°C、中心環(huán)最高溫度331°C，且通過控制激光的加卸載參數(shù)能使激光輻照區(qū)域的 三個(gè)環(huán)的溫度波動(dòng)范圍在10-20°C范圍，滿足活塞高周熱沖擊溫度波動(dòng)范圍。需要指出的是根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的精 神以及權(quán)利要求所記載的范圍。
權(quán)利要求
一種多圓環(huán)光束整形器的制作方法，用于產(chǎn)生各圓環(huán)位置和強(qiáng)度任意分布的多圓環(huán)光束，包括如下步驟1)根據(jù)各個(gè)同心圓環(huán)的位置和強(qiáng)度比例，計(jì)算光束整形器相位；2)根據(jù)光束整形器相位數(shù)據(jù)量化后的參數(shù)制作模板；3)利用模板對(duì)基片進(jìn)行光刻和刻蝕，以得到所需相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)，從而制得光束整形器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步驟1)具體包括如下步驟i)根據(jù)能量比例分割光束整形器輸入面孔徑，使其成為多個(gè)圓環(huán)區(qū)域，每個(gè)圓環(huán)區(qū)域 分別對(duì)應(yīng)于輸出面上的一個(gè)圓環(huán)區(qū)域；根據(jù)輸出面上各個(gè)環(huán)的強(qiáng)度之比及其半徑大小，計(jì)算出輸出面上各個(gè)圓環(huán)的能量之 比，根據(jù)能量守恒，得到輸入面上的對(duì)應(yīng)圓環(huán)位置，其中設(shè)定輸入光為平面波，計(jì)算公式(1) 如下 =^(ηEtOtal R其中，Ei是輸出面上各個(gè)圓環(huán)上的能量，i為輸出面上環(huán)的個(gè)數(shù)，Etotal是輸出面上的總 能量；Arri是輸入面上第i個(gè)圓環(huán)的內(nèi)外半徑，R是整個(gè)輸入面的半徑；使通過輸入面上每個(gè)圓環(huán)半徑r處的光傳輸?shù)捷敵雒嫔蠈?duì)應(yīng)圓環(huán)上半徑R處，根據(jù)能 量守恒，求得R與r的關(guān)系，計(jì)算公式(2)如下 r2-r.2 _ R(rf-Ri0^Rl-R,1⑴其中，Ri0^Ri是輸出面上第i個(gè)圓環(huán)的內(nèi)外半徑； )利用二元光學(xué)的相位梯度分布，使得輸入面上r處的光傳播到輸出面上相應(yīng)位置R 處，計(jì)算公式(3)如下 φ(Γ) = 2π R(r)-r⑶dr λ ζ其中，λ是入射光束的波長，Z是輸入面到輸出面的距離，Φ (r)是輸入面上相位分布； 將由公式(3)所得到的R(r)代入公式(2)中，得到下式(4) φ{(diào)τ) 2πf^jl(Ri2 -Ri02) +Ri02-r ri ~ri0dr λζ將相位離散化數(shù)值求解(4)武+1 -么_2π-R10) +R102-(kAr) ~r'°__(5)Ar λζ其中ΔΓ為采樣間距，從而可以得到光束整形器輸入面上的初始相位分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于，在計(jì)算出光束整形器輸入面上初始 相位分布之后，進(jìn)一步執(zhí)行以下步驟iii)根據(jù)輸出面光場分布公式，如下式(6) 其中，ρ為輸出面上點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，ΔΓ為采樣間距，CIk為光束整形 i=l ’ 器輸入面上初始相位分布；將步驟(ii)中得出的初始相位分布，代入公式(6)中，得出光束 整形器輸出面上的光場分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，多圓環(huán)尺寸所需的采樣間距在10微 米以下時(shí)，需要利用現(xiàn)有技術(shù)中的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，以使得符合輸出光束預(yù)設(shè)的要求，該 優(yōu)化方法采用折衍混合的方法來降低制作上的難度，即需要在平凹透鏡的平的一面來刻蝕 臺(tái)階結(jié)構(gòu)，或者將平凹透鏡和刻有臺(tái)階結(jié)構(gòu)的基片組合；具體包括根據(jù)初始相位分布求 出最小逼近相位分布的球面波，根據(jù)該球面波得出所需要的平凹透鏡的焦距，以選擇平凹 透鏡，將初始相位減去平凹透鏡相位所得的剩余相位，即為衍射面上相位分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制作方法，其特征在于，所述步驟2)中制作模板的步驟，具體包 括，根據(jù)所需同心圓環(huán)的個(gè)數(shù)將光束整形器的相位量化為多組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)制作一 塊模板，畫出模板加工需要的相位圖，并在每個(gè)模板上畫上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，以確保模板在后續(xù)的 套刻時(shí)對(duì)準(zhǔn)，然后根據(jù)加工相位圖，利用電子束直寫的方法來制作模板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中可將光束整形器的相位量化為 JI的一組數(shù)據(jù)，或η、η/2的兩組數(shù)據(jù)，或π、π/2和π/4的三組數(shù)據(jù)，或π、π/2、π/4 和η/8四組數(shù)據(jù)或者更多數(shù)據(jù)，以制作與每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模板，從而利用模板將光束整形 器制作為2、4、8、16臺(tái)階的相位結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，使用對(duì)待整形光束的波長有良好透 過率的材料作為光學(xué)基片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步驟3)中采用減法工藝來完成 刻蝕；其中，光刻階段包括表面清潔處理、甩膠、前烘、曝光、顯影五部分，其中清潔處理后也 需要一步烘干基片的處理，以易于上膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，光刻結(jié)束后，將表面帶有光刻膠圖形 的基片放到離子束刻蝕裝置中，利用反應(yīng)氣體對(duì)石英基片進(jìn)行刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的制作方法制得的多圓環(huán)光束整形器，其特征在于， 包括光束整形器本體，光束整形器本體上有相互對(duì)應(yīng)的光束輸入面和光束輸出面，光束輸 入面上設(shè)置有多個(gè)同心圓環(huán)，同心圓環(huán)上具有相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多圓環(huán)光束整形器及其制作方法，包括步驟(1)根據(jù)各個(gè)同心圓環(huán)的位置和強(qiáng)度比例計(jì)算光束整形器輸入面上相位分布；(2)根據(jù)光束整形器相位數(shù)據(jù)量化后的參數(shù)制作模板；(3)利用模板對(duì)基片進(jìn)行光刻和刻蝕過程，得到所需相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)，從而制得光束整形器。該光束整形器，包括光束整形器本體，光束整形器本體上有相互對(duì)應(yīng)的光束輸入面和光束輸出面，光束輸入面上設(shè)置有多個(gè)同心圓環(huán)，同心圓環(huán)上具有相位臺(tái)階結(jié)構(gòu)。如將此光束整形器用于激光熱負(fù)荷試驗(yàn)中，可用來模擬活塞在實(shí)際工作中溫度場分布規(guī)律。此方法具有成本低、效率高、模擬可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101930090SQ20091008746
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者何秀麗, 寧偉鍵, 聶樹真, 虞鋼, 鄭彩云 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所