CN112269268A - 软边光阑及其制备方法和制备时使用的镀膜挡板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了软边光阑及其制备方法和制备时使用的镀膜挡板，其中软边光阑包括基片和设置在基片上的膜层；膜层的厚度随基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小，利用膜层的厚度限定激光透过率。对应的制备方法包括：获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系；根据第一函数关系，在基片的每一半径位置处，镀设对应厚度的膜层。本发明还公开了制备上述软边光阑使用的镀膜挡板。本发明的软边光阑能够避免激光经过光阑产生的“强心效应”，可以广泛用于激光强度调制、激光整形以及激光光强均匀化等方向的装置内。本发明只要在现有镀膜机中安装一个镀膜挡板，即可实现制备本申请的软边光阑，因此，适用性更强，成本也较低。

Description

软边光阑及其制备方法和制备时使用的镀膜挡板
技术领域
本申请涉及软边光阑及其制备方法和制备上述软边光阑时使用的镀膜挡板，所制备的软边光阑尤其适用于高能激光***或光强调制***，属于激光技术领域。
背景技术
激光经过圆形光阑时，因为圆孔衍射，导致中心轴的光强会非常大，即“强心效应”。这对于激光应用非常不利，特别是对于高能激光***，过强的激光功率密度会产生非线性效应以及损坏光学元件。
现有技术中，通常利用软边光阑消减“强心效应”。例如：2001年国内学者提出在玻璃上加工盲点消除干涉，但是这种方法受限于加工精度，效果并不明显；2011年吴翠翠等人提出使用随机微单元拦光的方式消除干涉，但是这种方法需要光刻和镀膜，成本较高，而且微单元较小时，工艺很难保证精度；北京工业大学的学者提出使用随机半径锯齿光阑消减干涉，但是这种方法会使激光的光强分布不是圆对称的。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种软边光阑及其制备方法，并提供了制备上述软边光阑过程中所使用镀膜挡板和镀膜机，以解决现有技术中软边光阑存在“强心效应”的技术问题。
本发明的第一实施例，提供了一种软边光阑，包括：
基片和设置在所述基片上的膜层；
所述膜层的厚度随所述基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小，利用所述膜层的厚度限定激光透过率。
优选地，所述膜层的材料为铬、金、银、铜和硅中的一种。
本发明的第二实施例，提供了一种软边光阑的制备方法，包括：
获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系；
根据所述第一函数关系，在基片的每一半径位置处，镀设对应厚度的膜层。
优选地，所述获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系，具体为：
获取所述膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系；
获取所述激光透过率与所述基片的半径之间的第三函数关系；
结合所述第二函数关系和所述第三函数关系，确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系。
优选地，所述第二函数关系为高阶线性拟合函数关系。
优选地，所述第三函数关系为高斯函数关系。
优选地，结合所述第二函数关系和所述第三函数关系，确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系，具体包括：
利用第一公式确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系，所述第一公式为：
H＝G3-1(G1(r))
式中，G1(r)为激光透过率与待镀膜的所述基片的半径之间的第三函数关系，G3-1()为所述膜层的厚度与所述激光透过率之间的第二函数关系的反函数，H为所述膜层的厚度。
优选地，所述膜层的材料为铬、金、银、铜和硅中的一种。
本发明的第三种实施例，提供了一种利用上述制备方法制备软边光阑时，所使用的一种镀膜挡板，包括圆形板体；
所述板体由遮挡区域和镀膜区域组成；
所述遮挡区域与所述镀膜区域的相接处包括第一边界线和第二边界线；
所述第一边界线为所述板体的半径；
所述第二边界线为以所述板体的圆心和所述板体的边缘为端点的曲线；
所述曲线满足第二公式，所述第二公式为：
F(r)＝tan(G3-1(G1(r))*b/C)*r
式中，F为与r相关的曲线函数，G1(r)为激光透过率与待镀膜的基片的半径之间的第三函数关系，G3-1()为膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系的反函数，b为夹角，所述夹角为所述第一边界线与通过所述第二边界线的圆心和板体边缘的半径之间的夹角，C为根据膜层的材料和入射激光波长确定的常数，r为板体的半径。
优选地，所述入射激光波长为1.064um。
本发明的镀膜挡板，可以设置于镀膜机的旋转盘上；旋转盘带动镀膜挡板围绕待镀膜的基片中心旋转，膜层材料透过镀膜区域镀设至基片上，使得镀设的所述膜层的厚度随所述基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小。
本发明相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明的软边光阑，由于其镀膜厚度是随着基片的半径变化的，使得不同半径处，激光透过率不同，从而避免了现有技术中激光经过光阑产生的“强心效应”，可以广泛用于激光强度调制、激光整形以及激光光强均匀化等方向的装置内。
本发明只要控制径向的镀膜厚度，就可以控制沿径向的透过率函数，因此可以给出各式各样的激光光强分布。
本发明只要在现有技术的镀膜机中安装一个镀膜挡板，即可实现制备本发明的软边光阑，无需专用的镀膜机，因此，适用性更强，成本也较低。
附图说明
图1为本发明实施例中软边光阑的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例中镀膜挡板的结构示意图一；
图3为本发明实施例中镀膜挡板的结构示意图二；
图4为本发明实施例中铬材料的厚度与透过率函数以及对应的8阶线性拟合曲线图；
图5为本发明实施例中F(r)及对应的8阶线性拟合曲线图；
图6为本发明实施例中不加软边光阑情况下的圆孔衍射光强分布图；
图7为本发明实施例中加软边光阑情况下的圆孔衍射光强分布图。
部件和附图标记列表：
1、遮挡区域；2、镀膜区域；3、第一边界线；4、第二边界线。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明的第一实施例，提供了一种软边光阑，包括：
基片和设置在基片上的膜层；
膜层的厚度随基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小，利用膜层的厚度限定激光透过率，从而避免了现有技术中激光经过光阑产生的“强心效应”，可以广泛用于激光强度调制、激光整形以及激光光强均匀化等方向的装置内。
为达到最佳的避免“强心效应”的效果，本申请限定膜层的材料为铬、金、银、铜和硅中的一种。
本发明的第二实施例，提供了一种软边光阑的制备方法，其流程见图1，包括：
步骤1、获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系；
步骤2、根据第一函数关系，在基片的每一半径位置处，镀设对应厚度的膜层。
优选地，获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系，具体为：
获取膜层的厚度H与激光透过率T之间的第二函数关系，设为T＝G3(H)；第二函数关系为高阶线性拟合函数关系，对于不同的材料，膜层的厚度H与透过率T之间的关系可以通过数值仿真给出；
获取激光透过率T与基片的半径r之间的第三函数关系，设为T＝G1(r)；上述第三函数关系表明了激光的透过率T沿基片的半径r的变化情况；
结合第二函数关系T＝G3(H)和第三函数关系T＝G1(r)，根据第一公式确定膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系，其中第一公式为：H＝G3-1(T)＝G3-1(G1(r))，G3-1表示G3函数的反函数，即G3-1()为膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系G3的反函数。
优选地，第三函数关系为高斯函数关系、高阶高斯分布或用户指定的G1(r)。
为达到最佳的避免“强心效应”的效果，本申请限定膜层的材料为铬、金、银、铜和硅等中的一种。
本发明的第三种实施例，提供了一种利用上述制备方法制备软边光阑时，所使用的一种镀膜挡板，围绕待镀膜基片的圆心旋转该镀膜挡板可以实现便捷地在基片的每一半径位置处，镀设对应厚度的膜层。本申请的镀膜挡板包括圆形板体；板体的形状与待镀膜的基片的形状相同，板体的尺寸与待镀膜的基片的尺寸相同。
板体由遮挡区域1和镀膜区域2组成；
遮挡区域1与镀膜区域2的相接处包括第一边界线3和第二边界线4；
第一边界线3为板体的半径；
第二边界线4为以板体的圆心和板体的边缘为端点的曲线；
曲线满足第二公式，第二公式为：
F(r)＝tan(G3-1(G1(r))*b/C)*r
式中，F为与r相关的曲线函数，G1(r)为激光透过率与待镀膜的基片的半径之间的第三函数关系，G3-1()为膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系的反函数，b为夹角，夹角为第一边界线与通过第二边界线的圆心和板体边缘的半径之间的夹角，C为根据膜层的材料和入射激光波长确定的常数，r为板体的半径。上述曲线公式的推导过程如下，其中所涉及的角度见图3。
镀膜挡板上的镀膜区域为一个三边形，第一条边为半径r，第二条边为挡板的圆弧，第三条边为曲线，其高度Y与径向r的关系为Y＝F(r)，F为与r相关的曲线函数。
对于半径ra位置，高度为：Y＝F(ra)；
ra位置，张角为：a＝atan(Y/ra)；
ra位置时，弧长为:Sa＝ra*a；
假设圆盘边缘位置的张角为b，在ra位置时，对于张角b的弧长：Sb＝ra*b。
当旋转一周的时间远小于镀膜饱和(透过率为零)的时间时，若曲线形状为张角b的直线时，则开孔是一个理想扇形，旋转一周后所有径向位置的镀膜厚度H(r)都相等，即H(r)＝C(常数)；
若曲线形状不为直线时，ra位置镀膜厚度：H(ra)＝Sa/Sb*C；
假设透过率与r的函数为(由客户指定)：T＝G1(r)
假设透过率T与厚度H的关系为(由吸收系数决定，不同材料不一样，由数值计算给出)：T＝G3(H)，求反函数，H＝G3-1(T)即：
H＝G3-1(T)＝G3-1(G1(r))＝atan(F(r)/r)*C/b
因此，
F(r)＝tan(G3-1(G1(r))*b/C)*r。
给出G1函数，G3-1函数，常数C由材料决定、b由实验工艺决定，就可以求出F(r)函数，进而确定镀膜区域的形状。
优选地，入射激光波长为1.064um。
本发明的镀膜挡板，可以设置于镀膜机的旋转盘上；旋转盘带动镀膜挡板围绕待镀膜的基片中心旋转，膜层材料透过镀膜区域镀设至基片上，使得镀设的膜层的厚度随基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小。
使用时，将镀膜挡板放在待镀膜的基片上方，镀膜过程中旋转镀膜挡板，镀膜材料从镀膜区域通过至基片上方，待边缘镀膜厚度为C时镀膜完成。
下面将以更为具体的实施例说明本发明的内容。
本实施例激光波长为W＝1.064um，镀膜材料为铬，其折射率为n＝3.54+3.57i。利用有限元数值算法可以算出透过率T与厚度H的关系如图4所示，采用8阶线性拟合可以求得G3-1函数:
H＝a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4+a5T5+a6T6+a7T7+a8T8
其中a0＝80.4，a1＝-1.07*103，a2＝8.6*103，a3＝4.16*104，a4＝1.22*105，a5＝-2.18*105，a6＝2.3*105，a7＝-1.32*105，a8＝3.15*104。
本实施例中透过率沿径向按高斯变化,即T＝G1(r)＝exp(-2r2)，径向r取归一化值，0≤r≤1。对于铬材料C＝50nm，实验取b＝pi/3，采用8阶线性拟合求得F(r)，见图5：
F(r)＝b0+b1r+b2r2+b3r3+b4r4+b5r5+b6r6+b7r7+b8r8
其中b0＝-4.35*10-4，b1＝0.138，b2＝-4.5，b3＝38.9，b4＝-152，b5＝322，b6＝-379，b7＝234，b8＝-59。
第二边界线的曲线边按F(r)函数加工后，得到如图2所示的具有镀膜区域的镀膜挡板。在镀膜过程中，整个镀膜挡板绕着待镀膜的基片的中心旋转，镀膜介质透过镀膜挡板的镀膜区域至基片上。待径向边缘r＝1，膜层厚度C＝50nm时，镀膜完成，此时沿径向r方向的膜层厚度为，H＝G3-1(G1(r))；沿径向的透过率为T＝G1(r)＝exp(-2r2)。
如图6所示是半径R＝2毫米的圆孔衍射，可以明显看到中心的“强心效应”，如图7所示是经过本申请的软边光阑后的圆孔衍射。可以明显看出激光的“强心效应”减弱了。其中图6和图7的横坐标为半径位置(mm)，纵坐标为相对光强度。
本发明的软边光阑，由于其镀膜厚度是随着基片的半径变化的，使得不同半径处，激光透过率不同，从而避免了现有技术中激光经过光阑产生的“强心效应”，可以广泛用于激光强度调制、激光整形以及激光光强均匀化等方向的装置内。
本发明只要控制径向的镀膜厚度，就可以控制沿径向的透过率函数，因此可以给出各式各样的激光光强分布。
本发明只要在现有技术的镀膜机中安装一个镀膜挡板，即可实现制备本发明的软边光阑，无需专用的镀膜机，因此，适用性更强，成本也较低。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种软边光阑，其特征在于，包括基片和设置在所述基片上的膜层；
所述膜层的厚度随所述基片的半径的增大而逐渐增大或逐渐减小，利用所述膜层的厚度限定激光透过率。
2.根据权利要求1所述的软边光阑，其特征在于，所述膜层的材料为铬、金、银、铜和硅中的一种。
3.一种软边光阑的制备方法，其特征在于，包括：
获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系；
根据所述第一函数关系，在基片的每一半径位置处，镀设对应厚度的膜层。
4.根据权利要求3所述的软边光阑的制备方法，其特征在于，所述获取膜层的厚度与基片的半径之间的第一函数关系，具体为：
获取所述膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系；
获取所述激光透过率与所述基片的半径之间的第三函数关系；
结合所述第二函数关系和所述第三函数关系，确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系。
5.根据权利要求4所述的软边光阑的制备方法，其特征在于，所述第二函数关系为高阶线性拟合函数关系。
6.根据权利要求4所述的软边光阑的制备方法，其特征在于，所述第三函数关系为高斯函数关系。
7.根据权利要求4～6任一项所述的软边光阑的制备方法，其特征在于，结合所述第二函数关系和所述第三函数关系，确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系，具体包括：
利用第一公式确定所述膜层的厚度与所述基片的半径之间的第一函数关系，所述第一公式为：
H＝G3-1(G1(r))
式中，G1(r)为激光透过率与待镀膜的所述基片的半径之间的第三函数关系，G3-1()为所述膜层的厚度与所述激光透过率之间的第二函数关系的反函数，H为所述膜层的厚度。
8.根据权利要求3所述的软边光阑的制备方法，其特征在于，所述膜层的材料为铬、金、银、铜和硅中的一种。
9.一种镀膜挡板，其特征在于，包括圆形板体；
所述板体由遮挡区域和镀膜区域组成；
所述遮挡区域与所述镀膜区域的相接处包括第一边界线和第二边界线；
所述第一边界线为所述板体的半径；
所述第二边界线为以所述板体的圆心和所述板体的边缘为端点的曲线；
所述曲线满足第二公式，所述第二公式为：
F(r)＝tan(G3-1(G1(r))*b/C)*r
式中，F为与r相关的曲线函数，G1(r)为激光透过率与待镀膜的基片的半径之间的第三函数关系，G3-1()为膜层的厚度与激光透过率之间的第二函数关系的反函数，b为夹角，所述夹角为所述第一边界线与通过所述第二边界线的圆心和板体边缘的半径之间的夹角，C为根据膜层的材料和入射激光波长确定的常数，r为板体的半径。
10.根据权利要求9所述的镀膜挡板，其特征在于，所述入射激光波长为1.064um。
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