[发明专利]多焦点光学曲面的制造方法和光学装置

说明书

本发明涉及一种多焦点光学曲面的制造方法和一种包括所述光学曲面的透镜的光学装置。所述制造多焦点光学曲面的方法包括在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在光学基材的表面和内部，将至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

技术领域

本发明涉及一种利用飞秒激光制造多焦点光学曲面的方法，特别是利用飞秒激光进行微纳米尺度的加工以制造多焦点光学曲面的方法。

背景技术

光学曲面是指表面粗糙度远小于光波长的三维曲面，可应用于光学领域，包括聚焦、成像、波前校正和光相位调制等。微光学曲面是指尺寸在微米到百微米量级的光学曲面，由于其体积小、重量轻、可集成性强等特点，在众多领域具有重要的应用价值，如微加工、光学成像、量子光学等。大尺寸的曲面光学曲面的制备和加工通常采用机械加工的方式，但是这种加工方式不适用微光学曲面。

飞秒激光是一种脉冲宽度在飞秒量级的脉冲激光，具有超窄的脉冲宽度、超高的峰值功率，能够实现真三维超衍射极限加工，被广泛应用于微纳加工领域，包括微光学曲面的制备。利用飞秒激光制备石英片之类的光学基材的微光学曲面一般分为飞秒激光单点直写制备方法和飞秒激光单点曝光与湿法腐蚀技术相结合制备方法。飞秒激光单点直写制备方法的技术灵活，可以制备任意类型的微曲面，然而形成的光学表面粗糙度较大，需要后续的抛光手段；飞秒激光单点曝光与湿法腐蚀技术相结合制备方法利用飞秒激光对石英片基材进行单点曝光，然后利用氢氟酸溶液将曝光后的石英片基材腐蚀一定时间之后形成微球形凹面。后一种方法的制备效率高，微球面的表面质量好，但形成的光学曲面形状单一，只能制备球形凹面的微光学曲面。

发明内容

本发明的目的是克服或减轻现有技术中的技术局限和缺点。

本发明的一个方面提供了一种多焦点光学曲面的制造方法，包括：

定位步骤：在光学基材中设置至少两个目标光点，并生成所述至少两个目标光点的全息相位；其中所述至少两个目标光点中的两个目标光点分别设置在所述光学基材的表面和所述光学基材的内部，

烧蚀步骤：将所述至少两个目标光点的全息相位加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处并对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀，形成对应的烧蚀区，

腐蚀步骤：将形成有烧蚀区的光学基材置于氢氟酸溶液中，并进行超声处理，直到相邻的烧蚀区相互连通且每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

在一个实施例中，所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量；生成所述至少两个目标光点的全息相位的步骤包括，将在所述光学基材的表面上的一个目标光点的空间坐标设置为坐标原点，相对能量设置为1，然后计算所述至少两个目标光点中的其余的每个目标光点的空间坐标和相对能量，形成全部目标光点的全息相位集合。

在一个实施例中，所述至少两个目标光点中的每个目标光点的相对能量的取值范围为0.2-1。

在一个实施例中，将被调制后的飞秒激光同时通过多个透镜分别聚焦于所述光学基材的所述至少两个目标光点处，并同时对所述至少两个目标光点分别进行烧蚀。

在一个实施例中，所述至少两个目标光点包括两个目标光点，其中位于光学基材内部的目标光点设置成沿调制后的飞秒激光的传播方向与所述光学基材的表面上的目标光点间隔开。

在一个实施例中，所述两个目标光点之间的间隔距离为5-100μm。