一种非成像型激光匀质系统及匀质元件的制作方法与流程

1.本技术属于光学器件技术领域，具体涉及一种非成像型激光匀质系统及匀质元件的制作方法。


背景技术：

2.激光器由于其自身的谐振腔结构所产生的激光光束强度的空间分布，一般为高斯函数或者类似高斯函数的不均匀光场。激光匀质系统可将不均匀光场的束光束匀质为平顶型均匀光束。常见的激光匀质系统是基于微透镜阵列结构，利用阵列化结构将光束强制分割为多束子光束，再通过透镜汇聚将多束子光束重新叠加从而达到匀质效果。基于微透镜阵列的激光匀质系统分为成像型和非成像型匀质系统，利用反射式匀质系统属于非成像型匀质系统，不仅具有将激光匀质的作用，同时还能改变光传播路径。
3.目前，反射式激光匀质系统的反射膜是通过镀膜工艺制备，反射膜和作为匀质介质的衬底材料接触属于黏附接触，而黏附接触存在结合力较低的问题，因此大大地降低了反射式激光匀质系统的损伤阈值。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种非成像型激光匀质系统及匀质元件的制作方法，解决了现有技术中反射膜和匀质介质的衬底材料结合力较低，而导致激光匀质系统的损伤阈值低的问题。
5.本发明实施例提供了一种非成像型激光匀质系统，包括激光器、以及沿所述激光器发光光路上依次设置的小孔、扩束系统、匀质元件、匀质凸透镜、以及屏幕；
6.所述匀质元件包括金属铱薄膜、以及制备于所述金属铱薄膜上的微透镜阵列，所述微透镜阵列采用金刚石衬底材料，所述金刚石衬底材料和所述金属铱薄膜通过共价键键合。
7.在一种可能的实现方式中，所述微透镜阵列中的微透镜为凸透镜或凹透镜。
8.在一种可能的实现方式中，所述微透镜阵列中的微透镜的外形是圆形或多边形，所述微透镜阵列的阵列排列方式为密排六方、四方或单列排列。
9.在一种可能的实现方式中，所述微透镜阵列中的微透镜大小相同或不同。
10.在一种可能的实现方式中，所述金属铱薄膜厚度在50nm～1mm之间，所述金刚石衬底材料的厚度在100nm～10mm之间。
11.在一种可能的实现方式中，所述微透镜阵列中相邻两个微透镜的间距在0.1μm～10μm之间；所述微透镜的直径在0.5μm～5mm之间。
12.在一种可能的实现方式中，所述扩束系统包括间隔设置的第一透镜和第二透镜。
13.在一种可能的实现方式中，所述匀质元件安装于角度调节器上。
14.本发明实施例还提供了上述的匀质元件的制作方法，包括以下步骤：
15.在基础衬底上通过磁控溅射的方法制备所述金属铱薄膜，制备时的温度为rt
‑
1000℃，所述金属铱薄膜的厚度为50nm
‑
5mm；
16.利用mpcvd设备在所述金属铱薄膜上通过偏压增强法形核，再在形核样品上利用mpcvd设备直接生长单晶金刚石，所述单晶金刚石的厚度在500nm～5mm；
17.所述单晶金刚石制备好后，所述金属铱薄膜自动与所述基础衬底分离，形成单面覆盖有所述金属铱薄膜的单晶金刚石样品；
18.将所述单晶金刚石样品的生长面研磨抛光，使所述单晶金刚石样品的表面粗糙度小于1nm；
19.在所述单晶金刚石样品的抛光面上利用光刻胶热回流法制备微透镜阵列。
20.在一种可能的实现方式中，所述基础衬底为氧化镁或氧化铝。
21.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
22.本发明实施例提供了一种非成像型激光匀质系统，该激光匀质系统采用了通过共价键键合的金刚石衬底材料和金属铱薄膜，极大地改善了反射膜与匀质介质的衬底材料之间的黏附性，从而提高了激光匀质系统的损伤阈值，本发明的匀质元件可作为一种稳定的反射层，并易于实现大面积高通量光束的匀质目的。该激光匀质系统能够将入射光束二次分割后汇聚，在匀质过程中还能很好地改变匀质后光束的射出方向，并输出高通量的激光，其光束匀质效果明显，避免了现有的聚合物材料的匀质元件存在难以实现高通量激光匀质的问题，本发明的非成像型激光匀质系统对入射光的轮廓、相位等参数要求低，其结构简单，易操作，损伤阈值高，能够满足现有反射式激光匀质系统的使用需求。
23.本发明实施例还提供了一种匀质元件的制作方法，匀质元件的金刚石衬底材料在生长过程中，由于基础衬底和金刚石的热膨胀系数不同，因此金刚石对基础衬底有一个拉应力，基础衬底容易在金刚石生长过程中断裂释放应力，从而保证单晶金刚石的完整性，有利于制备大面积匀质元件，因此能够满足激光匀质系统的匀质元件的使用需求。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的非成像型激光匀质系统的结构示意图。
26.图2为本发明实施例提供的匀质元件的结构示意图。
27.图3为本发明实施例提供的匀质元件的制作方法的流程图。
28.附图标记：1
‑
激光器；2
‑
小孔；3
‑
扩束系统；4
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匀质元件；41
‑
金属铱薄膜；42
‑
微透镜阵列；5
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匀质凸透镜；6
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屏幕；7
‑
角度调节器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
31.如图1和图2所示，本发明实施例提供的非成像型激光匀质系统，包括激光器1、以及沿激光器1发光光路上依次设置的小孔2、扩束系统3、匀质元件4、匀质凸透镜5、以及屏幕6。
32.匀质元件4包括金属铱薄膜41、以及制备于金属铱薄膜41上的微透镜阵列42，微透镜阵列42采用金刚石衬底材料，金刚石衬底材料和金属铱薄膜41通过共价键键合。
33.需要说明的是，小孔2为小孔调节机构形成可供激光通过的孔，小孔调节机构能够调节小孔2的大小，从而形成不同直径的光束。小孔2能够截取光束中心高功率的光束，过滤掉光束边缘功率低的光。
34.扩束系统3可将接收到的光束输出为较大直径的光束，扩束系统3能够增大光束截面面积，从而控制入射光照射区域中微透镜的个数，便于优化匀质效果。
35.屏幕6能够显示匀质后光束，便于工作人员观察，匀质凸透镜5输出的子光束在匀质凸透镜5焦点处汇聚从而叠加形成所需的光束。
36.金属铱薄膜41与金刚石衬底材料的接触面为平整、连续光滑的界面，同时金属铱薄膜41不透光且不吸收入射光，从而成为良好的反射薄膜。
37.相较于其他材料，金刚石具有能够在苛刻环境下服役的优势，特别是在大功率的短波段激光匀质的应用中具有明显优势。用金刚石作为匀质系统的微透镜阵列，可以忽略子微透镜在材料内部聚焦形成热点，而导致损伤材料的问题。利用这个优点，可实现本发明基于金刚石衬底材料的反射型激光匀质系统的设计和制备，通过共价键键合也即通过原子力键合的金刚石衬底材料和金属铱薄膜41，极大地改善了反射膜与匀质介质的衬底材料之间的黏附性，从而提高了激光匀质系统的损伤阈值，本发明的匀质元件4可作为一种稳定的反射层，并易于实现大面积高通量光束的匀质目的。
38.激光器1发射的初始光束为高斯分布，高斯分布的初始光束通过小孔2后，形成设定直径的光束，设定直径的光束通过扩束系统3形成较大直径的光束，较大直径的光束通过匀质元件4进行匀质，匀质元件4将较大直径的光束分割成一定数量的子光束并将其反射至匀质凸透镜5上，匀质凸透镜5将接收到的子光束聚焦并进行叠加，最后形成平顶型光束输出于屏幕6上。
39.本发明的非成像型激光匀质系统能够将入射光束二次分割后汇聚，并输出高通量的激光，光束匀质效果明显，避免了现有的聚合物材料的匀质元件4存在难以实现高通量激光匀质的问题，本发明的非成像型激光匀质系统对入射光的轮廓、相位等参数要求低，其结构简单，易操作，损伤阈值高，能够满足现有反射式激光匀质系统的使用需求。
40.本实施例中，微透镜阵列42中的微透镜为凸透镜或凹透镜。
41.需要说明的是，凸透镜或凹透镜均可将入射光束分割为多束子光束。通过凸透镜的光束会在金刚石衬底材料内汇聚形成焦点，通过凹透镜的光束则在金刚石衬底材料内发散，即不在金刚石衬底材料内形成聚焦点。
42.本实施例中，微透镜阵列42中的微透镜的外形是圆形或多边形，微透镜阵列42的阵列排列方式为密排六方、四方或单列排列。
43.本实施例中，微透镜阵列42中的微透镜大小相同或不同。
44.需要说明的是，微透镜的尺寸可在500nm～500um的范围内进行调节，以形成不同的匀质光束。
45.本实施例中，金属铱薄膜41厚度在50nm～1mm之间，金刚石衬底材料的厚度在100nm～10mm之间。
46.本实施例中，微透镜阵列42中相邻两个微透镜的间距在0.1μm～10μm之间。微透镜的直径在0.5μm～5mm之间。
47.需要说明的是，根据入射光束的波长，在允许的精度范围内可尽量增大微透镜的间距，从而降低激光均质器的制作成本，经试验上述数据范围的效果最佳。
48.本实施例中，扩束系统3包括间隔设置的第一透镜和第二透镜。
49.需要说明的是，扩束系统3还可采用其他现有结构，本发明不再对此赘述。
50.本实施例中，匀质元件4安装于角度调节器7上。
51.需要说明的是，角度调节器7能够控制输入的光束和匀质元件4的夹角，从而调控输出的光束的方向、优化光束匀质后的效果。
52.本发明还提供了上述匀质元件4的制作方法的三个实施例。如图1至图3所示。
53.实施例一包括以下步骤：
54.在氧化镁的基础衬底上通过磁控溅射的方法制备5um厚的金属铱薄膜41，制备时的温度为rt
‑
1000℃。
55.本发明还可采用电子束蒸发等其他镀膜方法制备金属铱薄膜。
56.利用mpcvd设备在金属铱薄膜41上通过偏压增强法形核，再在形核样品上利用mpcvd设备直接生长单晶金刚石，单晶金刚石的厚度为1mm。
57.单晶金刚石制备好后，金属铱薄膜41自动与基础衬底分离，形成单面覆盖有金属铱薄膜41的单晶金刚石样品。
58.将单晶金刚石样品的生长面研磨抛光，使单晶金刚石样品的表面粗糙度小于1nm。
59.在单晶金刚石样品的抛光面上利用光刻胶热回流法制备密排六方的微透镜阵列42，每个微透镜为圆形匀质凸透镜5，直径为150μm，间距1μm。本发明的方法制作的匀质元件4可使匀质后的激光光束为平顶型激光光束。
60.实施例二包括以下步骤：
61.在氧化镁的基础衬底上通过磁控溅射的方法制备1um厚的金属铱薄膜41，制备时的温度为rt
‑
1000℃。
62.利用mpcvd设备在金属铱薄膜41上通过偏压增强法形核，再在形核样品上利用mpcvd设备直接生长单晶金刚石，单晶金刚石的厚度为10mm。
63.单晶金刚石制备好后，金属铱薄膜41自动与基础衬底分离，形成单面覆盖有金属
铱薄膜41的单晶金刚石样品。
64.将单晶金刚石样品的生长面研磨抛光，使单晶金刚石样品的表面粗糙度小于1nm。
65.在单晶金刚石样品的抛光面上利用光刻胶热回流法制备四方密排列的微透镜阵列42，每个微透镜为圆形匀质凸透镜5，直径为500μm，间距5μm。
66.实施例三包括以下步骤：
67.在氧化铝的基础衬底上通过磁控溅射的方法制备1um厚的金属铱薄膜41，制备时的温度为rt
‑
1000℃。
68.利用mpcvd设备在金属铱薄膜41上通过偏压增强法形核，再在形核样品上利用mpcvd设备直接生长单晶金刚石，单晶金刚石的厚度为10mm。
69.单晶金刚石制备好后，金属铱薄膜41自动与基础衬底分离，形成单面覆盖有金属铱薄膜41的单晶金刚石样品。
70.将单晶金刚石样品的生长面研磨抛光，使单晶金刚石样品的表面粗糙度小于1nm。
71.在单晶金刚石样品的抛光面上利用光刻胶热回流法制备四方密排列的微透镜阵列42，使每个微透镜为方形凹透镜，直径为20μm，间距1μm。
72.本发明的基础衬底还可采用掺钇稳定剂的氧化锆单晶(ysz)，钽酸钾等其他可以镀上金属铱薄膜41的衬底。
73.本发明所用的基础衬底的硬度较低，在金刚石生长过程中，由于基础衬底和金刚石的热膨胀系数不同，因此金刚石对基础衬底有一个拉应力，基础衬底容易在金刚石生长过程中断裂释放应力，从而保证单晶金刚石的完整性，有利于制备大面积匀质元件。
74.本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
75.本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
76.以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。