專利名稱：空間部分相干光束的強度分布的衍射整形的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由多模激光器和其它空間部分相干光源發(fā)射的場的強度分布的整形和質量改善。
背景技術：
工業(yè)上通常使用的許多高能激光器，包括脈沖受激準分子激光器，所發(fā)射的光由大量相互無關的橫向空腔構成。由這樣的光源發(fā)射的光是空間部分相干的，不像由普通的氦-氖激光器或半導體二極管激光器發(fā)射的光那樣。因此，多模激光器可以被考慮作為空間部分相干光的主要光源[Gori，Opt.Commun.34，301(1980)；A.Starikov ja E.Wolf，J.Opt.Soc.Am.72，923(1982)；S.Lavi，R.Prochaska andE.Keren，Appl.Opt.27，3696(1988)]。
激光束在垂直于傳播方向的平面上的強度分布在激光器的幾乎所有工業(yè)應用中都是一種重要的屬性。例如，脈沖受激準分子激光器的光束形狀通常很不理想可以觀察到明顯的強度波動，光束不總是旋轉對稱的，而是呈顯著的橢圓形，且不同脈沖的強度分布可能都不同。
通常，盡管不總是，多模激光束的遠場分布象單模激光器的遠場分布一樣與高斯形非常近似。但基本的區(qū)別在于多模光束遠不是衍射限制的，即，在相同的波長和初始大小的情況下，其分布要比單模光束大的多。此外，傳播中的多模高能激光常常表現(xiàn)出強烈的局部強度振蕩，而這在高質量的單模激光束中不會出現(xiàn)。
高斯強度分布并不總是理想的。在許多激光應用中，更需要這樣的強度分布，即，在垂直于傳播方向的一個平面的一定范圍內，如一個圓或矩形內，是均勻的。例如，在由矩形像素組成的圖案的激光束內，期望矩形光束，而在不同材料的激光打孔時圓形均勻光束是有用的。其它形式也是有用的在激光熔化試驗中，用從不同方向來的光束照射一個球形物體，在最佳情況下，每個光束應當均勻照射半個球面。這要求一種圓形光束，其強度分布從中心開始按照余弦法則向邊緣增大，最后迅速減小到零。
從高能邊緣發(fā)射半導體激光器發(fā)射的光束也經常包含大量橫模。這些光束的激光的具體特征是在發(fā)光波導的方向上是空間部分相干的，但在相反的方向是(密切)相干的。通常在波導方向上光束的質量很差可以觀察到強烈的局部振蕩，這種振蕩最好能被消除。
不基于純受激發(fā)射的明亮半導體光源也正在開發(fā)。其一個例子是諧振腔發(fā)光二極管(RE-LED)，它居于激光器與發(fā)光二極管(LED)中間。所發(fā)射的輻射包含大量相干腔模式，且迭生的場是全局不相干的，或準均勻的。當這樣的光源置于正透鏡的前焦平面中時，就可獲得部分相干的準校準光場，但例如遠場中的強度分布是不理想的。通常該光束要利用透鏡校準(成像)，使得遠場(像平面)強度分布近似為源表面的圖像?！敖啤北硎就哥R孔徑切除了一次場的角光譜中的高空間頻率。因此，獲得低通濾波的圖像，該圖像通常沒有期望的形狀。此外，從多模光纖端面發(fā)射的光束是空間部分相干場，其也要求整形。
當需要高光學輸出功率，特別是利用半導體光源時，通常用單個的相互無關的光源(激光器或LED)的一維或二維陣列代替單個光源。在該情況下，在透鏡的像平面內出現(xiàn)一個光點陣列，盡管人們更希望一個均勻照亮的區(qū)域。
在遠場中或距離光源有限遠處整形相干光束的強度分布的任務理論上可以利用傳統(tǒng)折射光學器件完成在光源的前面設置一個非球面折射表面，對該表面進行優(yōu)化，使得目標平面內的能量分布為期望的形狀[P.W.Rhodes和D.L.Shealy，Appl.Opt.19，3545(1980)]。如果所獲得的表面是旋轉對稱的，它可以用金剛石車削技術制作。如果所獲得的表面不是旋轉對稱的，則用現(xiàn)有技術制作很困難。另一方面，即使可以精確制作所述表面，整個元件的功能對于入射強度分布的形狀和入射光束與元件光軸的對準仍很敏感(圖1)。其原因在于所述表面形狀是根據(jù)幾何光學優(yōu)化的，這就意味著在元件平面上強度分布的局部變化對觀察平面內的強度分布具有直接的局部影響。
衍射光學器件[J.Turunen和F.Wyrowski，eds.，DiffractiveOptics for Industrial and Commercial Applications(用于工業(yè)和商業(yè)應用的衍射光學器件)(Wiley-VCH，Berlin，1997)，以下稱為“衍射光學器件”]證明是許多相干激光束整形問題的卓越的解決方案通過在光束路徑上插入一個表面顯微結構的全局平面元，原先的高斯強度分布在遠場中或在有限距離上可以變換為幾乎任意的(例如，均勻或邊緣加強的)強度分布。該表面顯微結構的全局平面元調制相位、幅度或這二者(“衍射光學器件”，6)。衍射光學器件提供了一種解決方案，還實現(xiàn)了以上提到的旋轉非對稱強度分布因為所述顯微結構是通過微刻技術制作的，所以從制作的觀點看，微結構的具體形狀并不重要。但是，元件的光學功能仍然類似于非球面透鏡，因此還存在輸出分布對入射強度分布變化或光軸對準敏感的問題。在衍射光學器件中，可以通過在微結構中包含一些受控散射來減少這些誤差的影響，但代價是轉換效率降低(“衍射光學器件”，第6章)。
傳統(tǒng)衍射光束整形元件設計的起點是假設完美的空間相干性[W.B.Veldkamp ja C.J.Kastner，Appl.Opt.21，879(1982)；C.-Y.Han，Y.Ishii ja K.Murata，Appl.Opt.22，3644(1982)；M.T.Eisman，A.M.Tai ja J.N.Cederquist，Appl.Opt.28，2641(1989)；N.Roberts，Appl.Opt.28，31(1989)]盡管沒有激光器能完美符合該假設，但對于本質上一個橫模內發(fā)射輻射的激光器，其已經足夠了，盡管有若干個縱模(即，輻射不是完全單色的)。但是，如果同時存在一個以上的橫模，則完美空間相干的假設就失敗了。在這種情況下，以上提到的現(xiàn)有技術方案就不一定起作用，當然，光束形狀變化和對準公差的問題仍然存在。
USA4410237描述了整形完全相干激光束的一種現(xiàn)有技術。假設衍射結構是非周期的。USA6157756描述了將完全相干的激光束整形為具有大擴散角的激光線的現(xiàn)有技術。光纖光柵是周期性的，但不是微結構的，且其操作不依賴于部分相干。
USA4790627公開了在激光熔化試驗中整形空間不相干的寬帶激光束的一種方法。其主要目的是利用形狀變化吸收器和圖案投影來減少激光系統(tǒng)的色差。USA4521075基本上涉及同樣的問題，但公開的方法包括階梯光柵，將空間相干寬帶光束轉換為寬帶但基本上空間不相干的光束。
本發(fā)明公開了一種利用衍射光學器件整形多模光學場強度分布的方法[“衍射光學器件”]。本發(fā)明基于基本周期性的衍射元件和多模光束的部分空間衍射的應用，即，在于先前認為是一個問題的光屬性。
本發(fā)明解決以上提到的現(xiàn)有技術問題。其特征在于變換的強度分布的形式不受關于入射光束的橫向對準的影響，不受入射光束形狀與設計時假設的形狀的合理偏差的影響。部分空間相干如下所述加以運用。
如果使兩個完全相關的光束(例如通過分裂單個激光束獲得的光束)疊加，則它們的復數(shù)幅度被求和。強度分布為一種相干圖案如果兩光束強度相同，則可以看到具有亮度最大值和零強度最小值的條紋。另一方面，如果使兩個互不相關的光束(如，來自兩個不同激光的光束)疊加，其強度分布被求和，且不發(fā)生干涉。從光學干涉理論的觀點看，這是兩種公知的極端情況。由多模光源發(fā)射的光不屬于其中任何一種如果將一個多模光束分為兩部分，再重新組合，則觀察到一種干涉圖案，但當模式數(shù)量增加，且最小值的強度不為零時，條紋的可見性降低。在本發(fā)明中，我們利用了該空間部分相干光的有限干涉能力，并應用其整形多模光束。主要的觀點是入射場的部分相干使得在多模光束整形中容易使用周期衍射元件，該元件將入射光束分為若干個光束。在某種意義上，這一發(fā)現(xiàn)可以看作以上關于兩光束干涉的陳述的擴展。
已知由許多多模激光器發(fā)射的光束可以利用所謂的高斯西爾(Gaussian Schell)模型進行充分近似。描述高斯西爾模型光源的交叉譜密度函數(shù)[L.Mandel和E.Wolf，Coherence and QuantumOptics(Cambridge University Press，Cambridge，1995)]的形式為WGSM(x1，x2)＝exp[(x12+x22)/w02]exp[-(x1-x2)2/2σ02]，(1)其中，w0(強度分布的1/e2半寬)和σ0(在源平面處干涉度的rms寬)為常數(shù)，且全局干涉度由比例α＝σ0/w0表示。比例α和σ0可以通過測量遠場束擴散來確定，因為1/e2遠場衍射角是從θ＝λ/(πw0β)獲得的，其中，λ是光的波長，β＝(1+α-2)-1/2。盡管高斯西爾模型不是對所有實際光源都精確，但對于本發(fā)明的目的來說已經足夠了，即使對于沒有精確的高斯遠場衍射模式的許多光源。
下面參考圖2-8描述本發(fā)明。
圖2示出高斯西爾模型光束在自由空間(或在均勻介質)中的傳播。其描述了量w0和σ0，用圖形表示所謂的傳播參數(shù)，即，1/e2半寬w(z)，干涉寬度σ(z)，以及曲率半徑R(z)。這些量已知[A.T.Fribergia R.J.Sudol，Opt.Commun.41，297(1982)]由以下公式給出
w(z)＝w0[1+(λz/πw02β)2]1/2(2)σ(z)＝αw(z) (3)R(z)＝z[1+(πw02β/λz)2] (4)圖2中的角θ是上述遠場強度分布的1/e2半寬。經過一個薄透鏡后，高斯西爾模型光束的特性就像曲率半徑為R(z)的球形波一樣。
圖3示出一種情況，其中，在標準2F傅立葉變換幾何中利用薄透鏡301(焦距F)將高斯西爾模型光源傅立葉變換到平面302中，其中R(F)＝∞，即，波陣面為平面。利用公式(1)-(3)使我們可以通過檢索光束的傅立葉平面值和干涉寬度，以這樣的方式調節(jié)該幾何結構光束寬度和干涉面積與在透鏡平面處的入射光束匹配。再利用已知的用薄透鏡進行球面波變換的法則，可以找到輸出光束參數(shù)。該方法可以擴展，以便將高斯西爾模型光束傳播通過任意的軸旁透鏡系統(tǒng)[A.T.Friberg ja J.Turunen，J.Opt.Soc.Am.A 5，713(1988)]。
圖4示出一種幾何結構，其中，高斯西爾模型光束照射一個周期衍射元件，該元件將一個平面波分裂為多個以略微不同的方向傳播的光束。該元件在一個或兩個方向上是周期性的，并且象普通衍射光柵一樣，產生衍射級，其中傳播方向由衍射光柵方程給出。x和y方向上的光柵周期dx和dy通常選擇為使得間隔δθx≈λ/dx和δθy≈λ/dy小于x和y方向上的遠場擴散角θx和θy。這樣，就獲得了一組部分疊加的高斯西爾模型光束(圖5)，其中心在衍射級的傳播方向周圍。與干涉光束不同，這些高斯西爾模型光束只是部分干涉的，這將在下面描述。為簡單起見，我們只考慮一個二維幾何結構，但可以很容易地擴展到三維。
用Tm表示在衍射元件的出口平面上與衍射級相關的復幅度，其中，m∈M是衍射級的級數(shù)，M是衍射效率ηm＝|Tm|2顯著大于0的衍射級的集合。則緊接著元件之后的交叉譜密度為(5)W(x1,x2)=WGSM(x1,x2)Σ(m,n)∈MTm*Tnexp[-i2π(mx1-nx2)/d]]]>其中n也是表示衍射級的級數(shù)，d是x方向上的光柵周期。如果用u表示位置坐標，則在透鏡(焦距長F)焦平面內的強度分布為(6)I(u)=1λF∫∫-∞∞W(x1,x2)exp[i2π(x1-x2)u/λF]dx1dx2]]>結合公式(1)、(5)和(6)，得到最終結果公式(7)
I(u)=w0wFΣ(m,n)∈MTm*Tnexp{-[(u+mu0)2+(u+nu0)2]/wF2}exp[-(m-n)2u02/2σF2]]]>其中，wF＝λF/πw0β，σF＝σ0wF/w0jau0＝λF/d。
圖6示出基于公式(7)對圖3的焦平面302處的強度分布進行的數(shù)字仿真。其目的是利用一個衍射元件將普通的高斯強度分布變換為平頂分布，該衍射元件將完全干涉的平面波變換為9個等效的衍射級m＝-4，……，+4。相干程度在圖6a中是α＝1/5，在圖6b中是α＝1/10。這對于受激準分子激光器是很典型的值。其它參數(shù)為w0＝1mm，F(xiàn)＝1m，λ＝250nm，光柵周期d在圖5中變化，以找到每個值α的最優(yōu)值w0/d。
當d充分大時，級間的角距離δθ遠小于擴散角θ，同時，u0＜＜wF。在該限度內，遠場強度分布幾乎不受元件的影響。當d減小時，傅立葉域分布首先擴散，然后當wF＞u0時，分為分解峰值。適當選擇d(或更準確地說，比例w0/d)，可以獲得最優(yōu)條件，其中強度分布具有最好的均勻性。在圖6a中，最優(yōu)值是d≈1mm，在圖5b中是d≈0.5mm，即，相干程度的減小將減小最優(yōu)光柵周期，因為它增加了光束寬度wF。應當注意，在所有情況下，總的能量是相等的減小d使得光束變寬，同時減小其峰值強度。
周期d是影響光束形狀的最重要的工具(級數(shù)M也有較小的影響)。無論光源是否各向異性，即，無論其強度分布是否周期性，分別在x和y方向上優(yōu)化d是有好處的。圖5示出這樣的情況，從垂直于光束傳播方向的平面內觀察。因為光源是各向異性的，其遠場衍射圖案也是各向異性的，但通過適當選擇x和y方向上的光柵周期，遠場圖案變?yōu)樾D對稱形狀。如果有必要，可以在兩個垂直方向使用不同光束數(shù)量。
如圖6中的數(shù)字仿真所示，能夠將高斯光束變?yōu)榫鶆驈姸裙馐脑a生對應于衍射級沿不同方向傳播的高斯光束。級間的角度選擇為θ的一小部分，但不能大到使得級分解。部分干涉的程度α決定Δθ/θ的選擇，并在每種情況下根據(jù)所述數(shù)字仿真獨立執(zhí)行優(yōu)化，在均勻性與衍射結構的復雜性之間找到一種折中方案。通過適當選擇各個級的效率，相同的原理適用于其它光束整形元件的設計，包括邊緣增強的圖案。為了清楚，我們主要考慮了一維信號圖案，但二維遠場圖案可以通過簡單的擴展上述概念而獲得。
圖7和圖8舉例說明了本發(fā)明的其它優(yōu)點及其應用。
圖7示出強度分布激烈快速變化的光束的質量均勻化。此處，部分相干的光束被分為沿稍微不同的方向傳播的幾個光束，從而其強度分布的擴散幾乎感覺不到，且光束僅僅部分干涉。因此，強度波動傾向于被平均化，且迭生的光束比原始光束更均勻。該方法適用于例如改善單個受激準分子激光脈沖的質量和獲得較好的脈沖形狀再現(xiàn)性。其還適用多模半導體激光束的均勻化(如圖6所示)。
圖8示出幾個離散的相互無關的光源在觀察平面內成像。這些光源可以是激光器或LED。如果成像透鏡是衍射限制的，且感覺不到地對光源的角光譜進行截短，就獲得光源陣列的圖像(801)。實際上，獲得稍寬的分布(802)。但是，通常更需要或多或少連續(xù)的強度分布，而不是離散陣列，例如，矩形或正方形均勻的照明區(qū)域。這可以通過本發(fā)明提出的方法實現(xiàn)每個光源的圖像在x和y方向上相乘，使得離散光源之間的空白區(qū)域被填充。不同光源的圖像可以疊加，因為這些光源是相互無關的。因此，不會產生相干，結果是不同強度分布的不相干的和(803)。


圖1現(xiàn)有技術。激光束的強度分布(101)用球面透鏡(102)輔助整形，使得期望的分布到達平面(103)。(a)理想情況高斯，完美對準的光束(101)在透鏡平面(103)產生平頂強度分布。(b)實際情況與假設的入射光束強度分布的偏差或對準誤差(104)導致最終強度分布(105)中不期望的失真。
圖2高斯西爾模型光束在自由空間中的傳播，w(z)是強度分布的1/e2半寬，σ(z)是光束的空間干涉寬度，R(z)是波陣面曲率的半徑。
圖3高斯西爾模型光源用薄透鏡(301)傅立葉變換到平面(302)。
圖4利用薄透鏡(402)和周期衍射元件(403)進行高斯西爾模型光束的整形。
圖5如果光柵產生衍射級(橢圓)的二維陣列，空間部分相干光束在圖3所示類型的幾何結構中的相干。橢圓的中心表示衍射級的空間頻率。疊加后，這些相互部分相關的場在所示圓形區(qū)域內形成一個幾乎等強度的區(qū)域。
圖6在圖3所示平面(302)內數(shù)字仿真的強度分布，假設衍射元件將光束分為9個相等強度的部分；(a)σ0＝w0/5，(b)σ0＝w0/10。曲線601和605d＝10mm。曲線602和606d＝1mm。曲線603和607d＝0.5mm。曲線604和608d＝0.25mm。
圖7用衍射光束分裂器對多模半導體激光器(701)光束進行均勻化。(a)屏幕(703)上的強度分布(702)是非均勻的。(b)衍射元件(704)產生一組(此處為清晰起見，示出3個)沿稍微不同的方向傳播的光束。全部光束各自的強度分布是(702)所示的類型。但空間部分相干光束的疊加產生了均勻化的光束(705)。
圖8將獨立光源發(fā)射的幾個相互無關的光束在光源的像平面內組合為近似平頂?shù)膱D案。
權利要求
1.一種在距離光源有限距離處或在遠場中控制空間部分相干光場的強度分布的單元，其特征在于，該單元在垂直于入射光場傳播方向的一個或兩個方向上是周期性的。
2.如權利要求1所述的單元，其特征在于該單元可以用于在垂直于原來的光束傳播方向的平面內整形從激光器、發(fā)光二極管、或光纖發(fā)出的多模光束的強度分布。
3.如權利要求1或2所述的單元，其特征在于，如果入射光束充滿整個單元區(qū)域，則該單元在垂直于光束傳播方向的平面內的移動對被整形的光束幾乎沒有影響。
4.如權利要求1或2所述的單元，其特征在于，該單元可以將多模激光束的快速強度波動平均化，提高脈沖形狀的可再現(xiàn)性。
5.如權利要求1或2所述的單元，其特征在于，該單元可以在垂直于傳播方向的平面內的一個邊界中，將多模激光器、發(fā)光二極管、或多模光纖發(fā)出的場整形為均勻或其它強度分布，該平面可以位于遠場中，或自光源有限距離處。
6.如權利要求1或2所述的單元，其特征在于，該單元可以在垂直于傳播方向的平面內的一個邊界中，將相互無關的多模激光器、發(fā)光二極管、和多模光纖的陣列發(fā)出的場整形為均勻強度或其它形式。
7.如權利要求1或2所述的單元，其特征在于，該單元可以實現(xiàn)對半球形目標的均勻照射。
全文摘要
介紹了一種借助于周期衍射光學元件(704)整形強度分布和改善由空間部分相干光源發(fā)射的光束的質量的新方法。由于出現(xiàn)強烈的結構性相干影響，在本發(fā)明所闡述的意義上，周期衍射元件不適合整形空間相干光場，但由多模光源發(fā)射的光場的部分空間相干抑制了這些影響。本發(fā)明可以用于在從光源有限距離處(703)或遠場中，整形由激光器、發(fā)光二極管、或光纖發(fā)射的強度分布。本發(fā)明在從大功率受激準分子激光器、半導體激光器、諧振腔發(fā)光二極管、或激光器或發(fā)光二級管陣列發(fā)出的光束(702，705)的整形和質量提高方面特別方便。
文檔編號G02B27/09GK1529830SQ01823484
公開日2004年9月15日 申請日期2001年7月16日 優(yōu)先權日2001年7月16日
發(fā)明者J·圖倫恩, J 圖倫恩 申請人:智能控制系統(tǒng)有限公司