一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面

(一)本发明涉及激光光束整形领域，具体涉及的是一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，具有在较宽的带宽情况下保持高效率的特点，可广泛应用于包括激光加工、医学诊断、通信和光学成像等各个方面的设计。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、在光学领域，高斯光束是一种经典的激光束模式，其横截面呈高斯分布，中央光强较高，边缘光强较低，导致能量分布不均匀，在某些应用场景中并不理想，尤其是在需要均匀光照分布的场景，如激光加工、医学诊断、通信和光学成像等，圆形光斑高斯光束的局限性就显得尤为突出；矩形光斑平顶光束能量分布均匀，它在进行激光加工时能够实现更精确和高效的切割和焊接；与圆形光斑高斯光束相比，矩形光斑平顶光束能够减少加工过程中的热影响和局部温度升高对材料的损伤；因此，将圆形光斑高斯光束转化为光强分布均匀的矩形光斑平顶光束具有十分重要的研究意义。

2、目前，已有多种光束整形技术被提出和应用，如透镜组、反射镜、光纤阵列等，这些技术在一定程度上能够实现光束整形，但仍存在诸多不足，例如，透镜组和反射镜系统通常结构复杂、体积庞大，不利于系统集成和便携性；光纤阵列虽能实现光束的均匀化，但存在光能量损失大、光路调整困难等问题；超表面是一种具有亚波长结构的人工光学界面，通过精确调控光波与微纳结构的相互作用，可以实现一系列传统光学元件难以实现的功能；与传统的光学元件相比，超表面具有结构紧凑、重量轻、易于集成等优点，为光束整形技术的发展提供了新的可能。

技术实现思路

0、(三)技术实现要素：

1、针对现有技术中存在的光束整形器件尺寸较大、不易于集成化、结构复杂、光能损失大、整形效果有限以及应用范围受限等问题，本发明提供了一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面；其目的在于通过超表面的亚波长结构设计，实现高效、精确的光束整形，将高斯光束转换为具有均匀光强分布和矩形截面形状的平顶光束；本发明旨在实现结构紧凑、集成度高、设计灵活且性能稳定的光束整形系统，减小光束整形器件的体积和厚度，简化光束整形装置，提高其相位调控精度，以满足不同领域对光束形状和质量的需求，提高激光加工、显示技术、光学测量等领域的应用效果和性能。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、展示的是一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征是：从下向上依次为底层沿x轴周期性排列的金属光栅(1)，介电间隔层(2)，中间圆形开口环的金属层(3)，介电间隔层(4)以及顶层沿y轴周期性排列的金属光栅(5)，各层之间紧密贴合；所设计的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面周期p均为100μm，底层和顶层呈正交排列的金属光栅的厚度t均为0.2μm；介电间隔层(2)和介电间隔层(4)的介电常数ε均为3.0，厚度h＝50μm；中间金属层：单开口或双开口的金属圆环，金属圆环的内径r1为41μm，外径r2为49μm。

4、更进一步地，所述的超表面由单元结构组成，通过单元结构的种类、尺寸和排布以改变超表面的相位分布，其相位变化范围在0-2π内。

5、更进一步地，所述的介电间隔层的材料为f4b,所述的金属材料为金或铜。

6、更进一步地，所述的高斯光束为：

7、e(r)＝e(0)·exp[-(r/w1)^2]

8、其中，e(r)为所述高斯光束的电场强度振幅分布，w1为高斯光束在超表面输入处的半径，r为径向距离。

9、更进一步地，所述的目标平顶光束用超高斯函数表示为：

10、e(r)＝e(0)·exp[-(r/w2)^q]

11、其中，w2为平顶光束半径，q为超高斯函数阶数，q越高轮廓边缘越陡。

12、本发明的有益效果在于：

13、本发明结构具有紧凑、轻薄的特点，易于实现高集成度和小型化；相较于传统的光束整形系统，本发明利用超表面实现了光束的整形功能，无需复杂的光学元件和繁琐的光路设计，这不仅简化了光学系统的结构，降低了制造成本，还提高了系统的稳定性和可靠性。

14、本发明通过超表面的特殊结构，利用类法布里珀罗腔的工作原理，实现高效的极化转换效率，能够有效地将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束，这个整形过程效率高，整形后的光束质量也高。

15、本发明所构建的光束整形系统具有更强的稳定性和可靠性，这有助于保证系统在长时间运行过程中的稳定性和较高的光束质量。

16、本发明同时具有便携、重量轻、容易集成等优点，所述的超表面采用的是二维周期性结构，便于大规模集成。

技术特征：

1.一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征在于：从下向上依次为底层沿x轴周期性排列的金属光栅(1)，介电间隔层(2)，中间圆形开口环的金属层(3)，介电间隔层(4)以及顶层沿y轴周期性排列的金属光栅(5)，各层之间紧密贴合；所述的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面周期为p，底层和顶层呈正交排列的金属光栅的厚度均为t；两个介电间隔层的介电常数均为ε，厚度为h；中间的金属层有两种结构组成，一种是单开口的金属圆环，另一种是双开口的金属圆环，金属圆环的内径均为r1，外径均为r2，厚度为t；所述的金属材料为金或铜。

2.根据权利要求1所述的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征在于：所述的单个超表面单元结构周期p＝100μm。

3.根据权利要求1所述的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征在于：所述的金属光栅的厚度t＝0.2μm；所述的介电间隔层的材料为f4b，厚度h＝50μm，介电常数ε为3.0。

4.根据权利要求1所述的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征在于：所述的中间金属层包括单开口或双开口的金属圆环，金属圆环的内径r1＝41μm，外径r2＝49μm；所述的超表面由单元结构组成，通过单元结构的种类、尺寸和排布以改变超表面的相位分布，其相位变化范围在0-2π内。

5.根据权利要求1所述的一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，其特征在于：所述的发明工作频段为0.4-1.1thz。

技术总结本发明提供了一种将圆形光斑高斯光束整形成矩形光斑平顶光束的超表面，属于激光光束整形领域；超表面包括两个介电间隔层和三个金属层：顶层是沿y轴周期性排列的金属光栅，底层是沿x轴周期性排列的金属光栅，中间层是金属开口环，各层之间紧密贴合；基于圆形光斑高斯光束、目标矩形光斑平顶光束的电场强度振幅分布、超表面输入面和输出面的电场强度分布对超表面相位进行优化，根据优化后的相位设计并制备超表面；相比于现有器件，本发明具有更高的整形效率和更宽的工作带宽。技术研发人员：陈明,张自锋,董文慧,方志博,成思远受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10