[發明專利]用于準分子激光光束整形的衍射光學元件設計方法

有效

• 申請號: 201410029948.X
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103777472A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 朱菁;王健;黃惠杰;張方;楊寶喜;陳明;李璟;魏張帆
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20;G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種用于準分子激光光束整形的衍射光學元件設計方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

①測量入射到衍射光學元件（3）的光束的空間相干長度L；

②計算衍射光學元件（3）中位相單元的尺寸l；

③依據入射到衍射光學元件（3）的光束的空間相干長度L，確定衍射光學元件（3）中一個設計單元（301）的周期d；

④等間隔采樣所需遠場光強分布，并計算遠場振幅分布矩陣A_out；

⑤計算設計所需的入射光振幅分布矩陣A_in；

⑥采用蓋師貝格-撒克斯通算法設計一個設計單元（301）的位相分布矩陣；

⑦將周期化得到完整的衍射光學元件（3）的位相分布矩陣；

⑧評估所設計的衍射光學元件（3）的準分子激光光束整形性能。

2.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所述入射到衍射光學元件（3）的光束的空間相干長度L采用楊氏雙孔干涉法測量：L=b_c，b_c為觀測面上干涉條紋消失時雙孔（6）之間的寬度。

3.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所述衍射光學元件3中位相單元尺寸l的計算：首先根據夫瑯和費衍射原理通過下式求得理論值l′：

l′=λf/D_out

其中，λ為準分子激光器1發射的光束的波長，f為傅里葉變換透鏡4的焦距，D_out為遠場光強分布的尺寸；

然后根據加工工藝能夠實現的刻蝕尺寸選擇最接近理論值l′的值作為位相單元的尺寸l。

4.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所述的衍射光學元件（3）的尺寸D應大于入射到衍射光學元件（3）上的光束的尺寸D_i，通常為兩倍；所述衍射光學元件（3）的設計單元（301）為衍射光學元件（3）中能夠實現所需遠場光強分布的一個最小區域；所述衍射光學元件（3）中設計單元（301）的周期d大于等于入射到衍射光學元件（3）的光束的空間相干長度L，并且為位相單元尺寸l的正整數倍；所述衍射光學元件（3）中設計單元（301）的周期數N為D/d，N為大于1的實數。

5.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所述遠場光強分布的采樣點數為d/l，對所述遠場光強分布按照采樣點數等間隔采樣，得到遠場光強分布矩陣I_out，所述遠場振幅分布矩陣A_out的維數與所述遠場光強分布矩陣I_out的維數相同，所述遠場振幅分布矩陣A_out中每個元素的值為所述遠場光強分布矩陣I_out中對應位置元素值開平方的絕對值；

所述設計所需的入射光場的振幅矩陣A_in的維數與所述遠場光強分布矩陣I_out的維數相同，所述設計所需的入射光場的振幅矩陣A_in為對束腰直徑為L的高斯光束的振幅進行等間隔采樣。

6.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所述周期化是將設計單元（301）的量化位相分布矩陣按周期N進行延拓，得到衍射光學元件（3）整體的位相分布。

7.根據權利要求1所述的衍射光學元件設計方法，其特征在于所設計的衍射光學元件（3）的準分子激光光束整形性能的評估，包括：

①將入射到衍射光學元件（3）上的部分空間相干光束（9）分解為一系列空間平移的形式相同的空間相干高斯光束（10）；

②用分解后的高斯光束（10）分別單獨入射到所述的衍射光學元件（3），并得到遠場子光強分布；

③將所有的遠場子光強分布進行非相干疊加得到總的遠場光強分布；

④評估總的遠場光強分布的衍射效率(ε)和頂部均勻性(σ)。