[发明专利]用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法

摘要

本发明提供一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片及其加工方法，调制片中心为凸起的圆台或圆形平底凹槽，环形平底凹槽与环形凸台间隔排布，所述的凸起的圆台、环形平底凹槽、环形凸台的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同。其调制片的结构参数是依据惠更斯—菲涅尔原理方程推导确定。本发明利用微工艺方法制造获得一种三维压缩超衍射相位调制片，结合激光加工系统参数进行设计安装，用于飞秒激光加工系统的飞秒激光光斑三维压缩，改善光斑形状，提高加工分辨率，相位调制片为光学玻璃材料，具有制造工艺简单、精度高，安装结构紧凑，操作方便等优点，将在激光微纳米加工领域得到广泛的应用。

主权项

1、一种用于光斑三维压缩的超衍射相位调制片，包括有调制片，其特征在于：其结构为下列二者之一：(1)、调制片中心为凸起的圆台，所述的凸起的圆台外侧为环形平底凹槽，所述的环形平底凹槽外侧为环形凸台，以此类推，所述的凸起的圆台、环形平底凹槽、环形凸台的表面处于同一平面，各环形平底凹槽的深度相同；(2)、或者，调制片中心为圆形平底凹槽，圆形平底凹槽外侧为环形凸台，环形凸台外侧为环形平底凹槽，以此类推，所述的圆形平底凹槽、环形凸台、环形平底凹槽的表面处于同一平面，圆形平底凹槽与各环形平底凹槽的深度相同；所述的环形凸台、环形平底凹槽的截面均为矩形；(1)、(2)所述的调制片的结构通过以下计算确定：利用对惠更斯—菲涅尔原理进行直接衍射积分，计算在一光束通过透镜后，在透镜焦点附近产生的三维衍射光分布的惠更斯—菲涅尔原理方程为下面公式(1)：U(P)=-2πia2Aλf2exp[i(fa)2u]∫01J0(υρ)exp(-12iuρ2)ρdρ---(1)]]>公式(1)中：“i”为虚数单位，P(u，v)为聚焦点附近的任一点，且有：u=2πλ(af)2z;]]>v=2πλ(af)r,]]>“a”为透镜的通光孔径的半径，“λ”为光束的波长，“f”为透镜的焦距，“A”为透镜通光孔径波面上的复振幅，且有A＝A₀exp|²/(2a)²」，J₀(vρ)为零级贝塞尔函数；代入相关参数就可计算出透镜焦点附近任一点P(u，v)的复振幅U(P)，即为在焦点附近的衍射光强分布艾里斑；进行超衍射计算，是将透镜前的光束进行相位调制，通过将连续的孔径波面分解成n个不同相位部分，公式(1)转换为对n个相位部分积分的和，超衍射计算公式(2)为：公式(2)中为透过率函数，A(r)为幅值因子，为相位因子，通过不同n值的计算在焦点附近获得超衍射光强分布，在尽量减少能量损失的前提下，选取最优的调制环数n值，再将公式(2)代入通用的遗传算法流程，以调制环半径r_i和环形、圆形平底凹槽深度h为优化变量参数，其中在优化计算得到最优的超衍射分布后，确定调制环半径r_i和平底凹槽深度h，并根据h值的正负来确定调制片中心r₀～r₁之间部分的凸凹性：h值为正值时，其中心r₀～r₁之间部分为凸起的圆台，r₁～r₂之间部分为环形平底凹槽，r₂～r₃之间为环形凸台，以此类推；h值为负值时，其中心r₀～r₁之间部分为圆形平底凹槽，r₁～r₂之间部分为环形凸台，r₂～r₃之间为环形平底凹槽，以此类推。