专利名称：激光束强度分布转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于将激光光束的强度分布进行变换的转换装置，特别涉及于将高斯光束变换为均匀光束的转换器件。
众所周知，从激光器发出的激光光束的强度公布为高斯分布，而在光学信息处理、光学测量、全息照相等方面需要均匀光强分布的光束照明，现在一般使用的方法是将光束扩大，只取其中一个小部分光束来照明物体，这样便损失了大部分的光束能量；另一种现行方法是便用两片非球面透镜来实现上述光束强度公布的转换，但上述非球面透镜加工制造十分困难；还有一种通用方法便是采用计算机制作全息图来实现光束强度分布的转换，但计算机制作全息图的光学效率低，噪音大，并不在同轴使用，使装置的结构复杂化。
本实用新型的目的就是要在将高斯分布变换为均匀强度分布中克服上述非球面透镜或计算机制全息图等现有技术的缺点，本实用新型所提出的转换装置与非球面透镜相比，具有加工制作比较简单，可以大批量生产，从而降低成本；如与计算机制全息图相比，由于器件具有多个相位置值，可大大提高光学效率，降低了噪音，并可同轴使用，使系统的结构简单化。
本实用新型的再一个目的就是可通过调整两片多位相值相息元件之间的距离，可以适应于不同波长的激光光束强度分布转换的要求，使器件更具有广泛的适用性。
为了实现本实用新型的目的提出了一种用于激光照明用的对激光光束强度分布进行变换的光学器件，即可将高斯分布的激光光束转换为光强均匀分面布的激光光束的转换器。它可用于光学信息处理、光学测量、全息照相和激光技术等方面。
本实用新型所提出的激光光束转换装置，其结构主要由一种光束扩束系统(或望远系统)和两片多位相值相息元件(二元光学器件)组成，或由一个光束扩束系统(望远系统)和一片两面具有二个或多个台阶分布的多位相值相息元件(二元光学器件)组成，通过改变光束扩束系统的扩束比可以把激光束扩束到任意所需要的口径，多位相值无件可以工作在透射式或反射式方式，工作在透射式方式时，相息元件的材料可用普通玻璃／光学玻璃／石英玻璃／有机玻璃，树脂或其它能透可见光的高分子材料制成；在反射式方式工作时，可采用金属材料如铜、铝、锌、铬或其它半导体材料，并在其表面镀上一层高反射率的金属，如金。银、铝、铬等。相息元件的构造为两面平行的基片，在其中的一面或两面上经过刻蚀而产生二个可多个深度等级的矩形台阶或圆形台阶分布，光通过该器件面上的不同深度的台阶形表面构造后产生的光程不同，并形成衍射，可以产生任意所需要的光波波阵面分布，从而达到改变激光光束的能量分布或激光光束的形状的目的。该装置中的相息元件可以由两片构成，其中的第一片使光束的光强分布均匀化，而第二片使出射光束为平等光，即起到了准直的作用，并且两片必须同轴使用。该装置中的相息元件也可以由一片在其两个面上都具有台阶形表面构造的器件构成，在其前表面上的台阶形构造使光束强度分布均匀分，而在其后表面上的台阶形构造使出射光束准直为平行光束。该装置中的相息元件也可以是两片反射式的器件，也可以是一片为透射式，而另一片为反射式的器件构成。
本实用新型的将高斯光束变换为均匀光束的转换器件及其装置的实例示于附图中，附图有
图1(a)、(b)分别表示了构成本实用新型的转换装置的多位相值相息元件的基片，在其一个表面上刻蚀有多个深度等级的矩形台阶分布；图2(a)、(b)分别表示了构成本实用新型的转换装置的多位相值相息元件的基片，在其一个表面上刻蚀有多个深度等级的圆形台阶分布；图3为构成本实用新型的转换装置的结构示意图，其工作方式为透射式；图4为构成本实用新型的转换装置的结构示意图，其工作方式为反射式；
图5为构成本实用新型的转换装置的结构示意图，其工作方式为反射、透射式；图6为构成本实用新型的转换器中的光束扩束系统(望远系统)的工作示意图。
图7为构成本实用新型的转换器中的两片多位相值相息元件的工作原理图。
在图3、4、5中，1为入射光束，2为光束扩束系统，3和4分别为透射式多位相值相息元件，5为出射光束；3和4分别为反射式多位相值相息元件；在图6中，21为扩束系统中的第一块透镜，22为其中的第二块透镜，f1、f2分别表示第一块透镜和第二块透镜的焦距，D1和D2分别表示入射光束和出射光束的口径，并有关系D1D2＝f1f2，改变f1或f2便可得到任意的入射光束和出射光束和口径之比。
在图7中，3、4分别表示第一片相息元件和第二片相息元件，L为两片相息元件之间的距离，P为第一片相息元件的半径变量，p(u)为u变量的函数，u为第二相息元件的半径变量，u(p)为p变量的函数，Z为水平轴。设Q为第一片相息元件的位相函数，φ为第二片相息元件的位相函数，并设两片相息元件的位相函数为圆心对称，则第一片相息元件位相函数的变化率为(dQ(p))/(dp) ＝ (2π)/(λ.L) ［u(p)－p］及第二片相息元件位相函数的变化率为(dQ(u))/(du) ＝ (2π)/(λ.L) ［u－p(u)］对于不同的波长λ，可通过改变L使λ.L值为一常数，这样在λ射光束束腰，λ射光束口径，出射光束口径已确定的情况下，使不同的波长的dQ(p)／dp和dQ(u)／du都相等，达到了只要调整两片相息元件之间的距离，就可适用于不同波长的要求。
实施例在拍摄模压全息图的母全息图时，采用的激光器可以是氮镉激光器、波长约为4416 (0.4416微米左右)，对于从激光器输出光束的束腰为0.8mm左右，用一个扩束系统将激光束扩大到75mm左右，扩束比为0.875，即扩束系统的两块透射的焦距之比f1f2＝0.875。此时光束强度分布仍为高斯分布，采用两片16位相值元件，每片的口径为φ75mm左右。每片元件表面刻蚀有圆环形台阶分布，第一片相息元件使光束强度均匀化，第二片相息元件准值了出射光束，使它变为平行光，两片相息元件之间的距离为500mm，输出的光束的直径为φ75mm左右的均匀强度分布的平行光，3作为全息图拍摄中心参考光或者是物光。
按上述参数设计，制作的将高斯光束转化为均匀光束的相息元件，可用于氮氖光器(波长为0.6328微米)的激光光束的高斯光束转化为均匀光束。如氮氖激光器的光平束腰为1.5mm，则改变扩束系统的扩束比为1.575，使输出光束仍为φ75mm。同时改变两片相息元件之间的距离，从原来的500mm改为0.4416X40／0.6328，就可以使氮氖激光器的输出光束从高斯分布转换为均匀分布，仍然可得很高的效果。避免了重新设计、制作相息元件，减少费用，降低了成本，提高了装置的通用性。
权利要求1.一种使激光束强度均匀分布的转换装置，其特征在于它主要由一个光束扩束系统和两片多位相值相息元件构成，在所述的相息元件的表面上刻蚀有二个或多个深度等级的台阶形分布构造，所述的两片多位相值相息元件同轴使用，并相隔距离(L)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光束扩束系统包括第一块透镜，(f1)、(f2)分别为两块透镜的焦距，(D1)、(D2)分为入射和出射光束的口径，则它们之间有如下关系D1D2＝f1f2。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述两片相息元件位相函数的变化率分别为(dQ(p))/(dp) ＝ (2π)/(λ.L) ［u(p)－p］(dQ(u))/(du) ＝ (2π)/(λ.L) ［u－p(u)］式中(p)(u)分别表示第一、第二相息元件的半径变量，Q、φ分别表示第一、第二相息元件的位相函数，(L)为两片相息元件之间的距离，(λ)为波长。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述两片相息元件可以为透射式、反射式或一片为反射式和另一片为透射式。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述两片相息元件也可以采用一片在其两个表面都刻蚀有台阶形分布构造的器件。
6.如权利要求1、4或5所述的装置，其特征在于所述透射式相息元件可采用能透可见光的材料制成，如普通玻璃、光学玻璃、石英玻璃、有机玻璃、树脂或能透可见光的高分子材料。
7.如权利要求1、4、5所述的装置，其特征在于所述反射式相息元件可采用金属材料制造，如铜、铝、锌、铬或半导体材料，并在其表面镀上一层高反射率的金属，如金、银、铝或铬。
8.如权利要求1、4或5所述的装置，其特征在于所述相息元件的一个或两个平行的表面上可刻蚀有两个或多个深度等级的矩形或圆环形台阶分布构造。
专利摘要本实用新型属于将激光束的强度分布进行转换的装置，它可使高斯分布变换为均匀的强度分布，它主要由一个光束扩束系统和两片相息元件构成，在所述相息元件的表面上刻蚀有两个或多个深度等级的矩形或圆环形台阶分布的结构，所述相息元件可由能透可见光的材料制成。所述扩束系统包含两块透镜。本装置与现有技术相比提高了光学效率，降低噪声，并可同轴使用，使装置的结构简单化。
文档编号G02B26/00GK2181700SQ93210840
公开日1994年11月2日 申请日期1993年4月28日 优先权日1993年4月28日
发明者龙品 申请人:龙品