[发明专利]阵列全环光子筛匀光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光光束波面整形技术领域，特别是一种用于实现高斯波前和不规则波前激光束在远场衍射光场的波前平顶化，即实现接近于平面波前分布的光场的阵列全环光子筛匀光器及其制作方法。该种阵列全环光子筛匀光器可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种光路中。

背景技术

通过各种途径对高斯波前和不规则波前激光束进行匀光，使得光束变换成为接近于平面波前的光束是一个实用的课题，在各种光路中都有广泛的应用，比如在光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种仪器中，能够实现这种功能的光学器件统称为匀光器。

位相调制技术是通过改变衍射光线传播截面的位相分布从而实现预期衍射光强分布的技术。用于进行调制的方法有多种，有固定位相分布的位相板，也有用光电晶体制成的可由电压控制位相分布的调制片。因为衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。

所谓匀光器，也称为匀束器，是一种改变入射光束波前以实现类似平面波前光束的光学器件。一般的匀光器包括：

棱镜法：工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束，通过棱镜时，光束被四面棱镜分成四束光束，四束光束在X-Y面上叠加后，光束分布均匀性有较好改善。在X-Y面上的一点的(x，y)，经过四面棱镜后，X-Y面上的光强变化百分比小于3％，激光传输率可达94％，用棱镜法可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但棱镜法的均匀效果仅在输入光束严格对称时才获得理想的效果，并且获得均匀光束截面的位置极严格的对应于光楔的角度。

反射镜法：工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束经过透镜L₁聚焦到反射镜M₁上，经过一次反射后，其能量分布将按照图1-2所示发生光束方向的改变和能量叠加现象，同样经过透镜L₂和反射镜M₂后，光束将再一次叠加。这样经过多次的光束叠加后，其初始的高斯光束能量分布将被均匀化。用反射镜法也可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但反射镜法的装配和调试极为困难。

万花筒法：工作原理为当光强分布为近似高斯分布的入射光以最大入射角θ_max进入光波导后，只有和透镜光轴平行的或和光轴成一较小夹角的光线不经过反射直接通过波导管，其余入射光的光线将在波导管内产生反射到达输出面的不同点上。万花筒法制作、装调简易，成本大大降低，能方便地改变输出光斑的大小，但此系统的传输损耗较大。

柱面镜法：方法原理为由四片柱面镜围成一个中空的方形结构，每片柱面镜安装在一个精细调整架上，通过调节可以控制中空部分的尺寸和形状，激光照射在装置上，中空部分激光直接透过，照射在边缘柱面透镜上的光将补偿到中间光的弱光强部分，通过计算柱面镜的参数和适当调节调整旋钮，就能得到均光效果，这种方法的优点是光束透过率较高，均光效果较好，但设计人员要求较高，设计人员需要计算镜片参数及设计高精度的微调机构。

复眼透镜列阵法：原理为蝇眼透镜阵列聚光系统光路，由m×m片焦距和尺寸相同的小透镜组成的方形透镜阵列L，透镜列阵L把入射的准直光束波面分割成m²束子光束，在靶面上形成的光强分布实际是球面聚光镜将各子光束会聚在其焦平面上的光强的积分。使用透镜阵列聚光系统，即使在入射光束近场分布均匀性很差的情况下，仍然可以在焦平面上得到均匀的光照效果。

阵列匀光器，又称为阵列匀束器，是基于数学积分原理设计的，其可将光束分成无限多个细小的光束，每个细小的光束内部的能量分布是均匀的，将所有的小光束累计叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑。[参见，Lin ying，Lawrence Geoge N，Buck Jesse.Charaterization of excimerlasers for application to lenslet array homogenizer[J]，Applied Optics，2001，49(12)：1931-1941]。阵列匀光器的基本阵列单元可以是透镜，即上述的复眼透镜阵列法，也可以是菲涅尔波带片[参见刘勋，陈涛，左铁钏，应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究，中国激光(专刊)，2008年3月。]