本發(fā)明涉及光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器的，特別涉及一種組合式衍射光學(xué)元件、設(shè)計方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、激光光束掃描系統(tǒng)是激光雷達、激光武器和激光加工等領(lǐng)域的核心技術(shù)，現(xiàn)有的激光光束掃描系統(tǒng)主要是基于微機電系統(tǒng)(mems)、液晶光學(xué)技術(shù)以及光波導(dǎo)等技術(shù)實現(xiàn)的。在實際操作過程中，液晶光學(xué)相控陣可以通過電壓控制液晶的折射率變化，進而實現(xiàn)進一步改變光束偏轉(zhuǎn)角度的需求，這在空間光調(diào)制方面已經(jīng)具備較為成熟的應(yīng)用。

2、然而現(xiàn)有技術(shù)中，實現(xiàn)二維掃描常常需要級聯(lián)兩個液晶光學(xué)相控陣，且液晶分子的定位需要較長的響應(yīng)時間，雖然如mems相控陣系統(tǒng)具有穩(wěn)定、功耗低的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也同樣存在類似的問題，即需要足夠的調(diào)整時間才能實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角度的切換。此外，上述光學(xué)相控陣平臺所采用的液晶或是硅基等材料承受功率有限，不適用于大功率激光系統(tǒng)，同時也無法較好地實現(xiàn)光束在空間上的三維調(diào)控。

3、光學(xué)衍射元件(diffractive?optical?element,doe)作為一種能夠在微納尺度上精確調(diào)控光的相位與振幅的器件，其為激光光束掃描系統(tǒng)的小型化提供可能，還可以通過選擇具有不同波長窗口的材料作為doe載體來大幅提升入射光的強度閾值，其為激光光束三維掃描、激光雷達以及激光加工等提供了技術(shù)支持。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種組合式衍射光學(xué)元件、設(shè)計方法及其應(yīng)用，解決激光光束掃描系統(tǒng)中存在的系統(tǒng)復(fù)雜、不易集成、調(diào)控維度受限以及入射光功率閾值低等的問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種組合式衍射光學(xué)元件，包括順次設(shè)置的第一doe、第二doe和第三doe；第二doe固定，以調(diào)節(jié)第一doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光的光斑在焦平面的位置，以調(diào)節(jié)第三doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光在z軸方向的聚焦位置。

3、優(yōu)選地，第一doe和第二doe的相位分布分別為其中，a為常數(shù)，(x,y)為直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，為方向角，a為常數(shù)。

4、優(yōu)選地，第三doe的相位分布為

5、優(yōu)選地，配合所述第二doe疊設(shè)若干相位，用于對入射光整形。

6、優(yōu)選地，所述整形包括光束勻化、疊加結(jié)構(gòu)光模式和分束。

7、一種所述的組合式衍射光學(xué)元件的設(shè)計方法，所述方法包括以下步驟：

8、s1以兩個共軛的周期性相位平面組合構(gòu)建周期可調(diào)的梯度光柵，實現(xiàn)對入射光偏轉(zhuǎn)角的控制；

9、s2以兩個共軛的周期性相位平面組合，實現(xiàn)對入射光在z軸方向的調(diào)控；

10、s3將s1和s2中的兩組合并置，取其一為第二doe，s1中組合的另一元件為第一doe，s2中組合的另一元件為第三doe。

11、優(yōu)選地，s1中，組合的相位分布滿足其中，(x,y)為直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，a為常數(shù)；

12、第一doe在x方向和y方向位移dx與dy后，得到的組合的相位分布為，

13、

14、優(yōu)選地，s2中，組合的相位分布滿足其中，為方向角，a為常數(shù)；

15、第三doe繞中心旋轉(zhuǎn)θ角度后，得到的組合的相位分布為，

16、

17、一種所述的組合式衍射光學(xué)元件的應(yīng)用，應(yīng)用于光束動態(tài)三維調(diào)控。

18、優(yōu)選地，通過改變第一doe在x軸和y軸上的位移，得到不同周期、不同方向的閃耀光柵相位，實現(xiàn)對入射光的偏轉(zhuǎn)方向的調(diào)控，通過改變第三doe在z軸上相對于第二doe的旋轉(zhuǎn)θ值，得到不同焦距的透鏡相位，實現(xiàn)對入射光在z軸方向的調(diào)控。

19、本發(fā)明涉及一種組合式衍射光學(xué)元件、設(shè)計方法及其應(yīng)用，包括順次設(shè)置的第一doe、第二doe和第三doe；第二doe固定，以調(diào)節(jié)第一doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光的光斑在焦平面的位置，以調(diào)節(jié)第三doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光在z軸方向的聚焦位置；方法以兩個共軛的周期性相位平面組合構(gòu)建周期可調(diào)的梯度光柵，實現(xiàn)對入射光偏轉(zhuǎn)角的控制，以兩個共軛的周期性相位平面組合，實現(xiàn)對入射光在z軸方向的調(diào)控，將兩組共軛的周期性相位平面并置，設(shè)置第一doe、第二doe和第三doe；應(yīng)用于光束動態(tài)三維調(diào)控。

20、本發(fā)明的有益效果在于，通過設(shè)計多個具有周期性相位結(jié)構(gòu)的doe器件，利用doe之間產(chǎn)生的光學(xué)莫爾效應(yīng)實現(xiàn)光束的三維可調(diào)，通過在層與層之間引入機械變形、旋轉(zhuǎn)或位移等變化，利用周期性結(jié)構(gòu)間的空間拍頻效應(yīng)形成新的周期性干涉條紋，將中間的第二doe元件位置固定，通過第一doe和第三doe的相位空間位置調(diào)節(jié)來實現(xiàn)入射光傳播方向以及焦距的變化，以此實現(xiàn)光束的動態(tài)三維空間調(diào)控；本發(fā)明還可以實現(xiàn)在第二doe上疊加上額外的相位來對入射光進行整形，如光分束、光束勻化等，在激光雷達、激光武器和激光加工等領(lǐng)域擁有巨大的潛在應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種組合式衍射光學(xué)元件，其特征在于：包括順次設(shè)置的第一doe、第二doe和第三doe；第二doe固定，以調(diào)節(jié)第一doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光的光斑在焦平面的位置，以調(diào)節(jié)第三doe和第二doe的相對位置關(guān)系控制入射光在z軸方向的聚焦位置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式衍射光學(xué)元件，其特征在于：第一doe和第二doe的相位分布分別為

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種組合式衍射光學(xué)元件，其特征在于：第三doe的相位分布為

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式衍射光學(xué)元件，其特征在于：配合所述第二doe疊設(shè)若干相位，用于對入射光整形。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種組合式衍射光學(xué)元件，其特征在于：所述整形包括光束勻化、疊加結(jié)構(gòu)光模式和分束。

6.一種權(quán)利要求1～5之一所述的組合式衍射光學(xué)元件的設(shè)計方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計方法，其特征在于：s1中，組合的相位分布滿足其中，(x,y)為直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，a為常數(shù)；

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計方法，其特征在于：s2中，組合的相位分布滿足其中，為方向角，a為常數(shù)；

9.一種權(quán)利要求1～5之一所述的組合式衍射光學(xué)元件的應(yīng)用，其特征在于：應(yīng)用于光束動態(tài)三維調(diào)控。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于：通過改變第一doe在x軸和y軸上的位移，得到不同周期、不同方向的閃耀光柵相位，實現(xiàn)對入射光的偏轉(zhuǎn)方向的調(diào)控，通過改變第三doe在z軸上相對于第二doe的旋轉(zhuǎn)θ值，得到不同焦距的透鏡相位，實現(xiàn)對入射光在z軸方向的調(diào)控。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種組合式衍射光學(xué)元件、設(shè)計方法及其應(yīng)用，包括順次的第一DOE、第二DOE和第三DOE；第二DOE固定，調(diào)節(jié)第一DOE和第二DOE的相對位置關(guān)系控制入射光的光斑在焦平面的位置，調(diào)節(jié)第三DOE和第二DOE的相對位置關(guān)系控制入射光在z軸方向的聚焦位置；以兩個共軛的周期性相位平面組合構(gòu)建周期可調(diào)的梯度光柵，實現(xiàn)對入射光偏轉(zhuǎn)角的控制，以兩個共軛的周期性相位平面組合，實現(xiàn)對入射光在z軸方向的調(diào)控，兩組共軛的周期性相位平面并置，設(shè)置三個DOE；應(yīng)用于光束動態(tài)三維調(diào)控。本發(fā)明實現(xiàn)光束動態(tài)三維空間調(diào)控，可在第二DOE疊加額外相位對入射光整形，在激光雷達、激光武器和激光加工等領(lǐng)域擁有巨大潛在應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：仇旻,謝智強,李策
受保護的技術(shù)使用者：西湖大學(xué)光電研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9