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深圳海納光學(xué)有限公司
主營(yíng)產(chǎn)品： 激光護(hù)目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學(xué)元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽(yáng)能模擬器，太赫茲相機(jī)，激光測(cè)量?jī)x，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
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公司信息
平頂光束整形器應(yīng)用手冊(cè)
2020-4-2 閱讀(823)
光束整形器是一種衍射光學(xué)元件，產(chǎn)生的平頂光斑常用于激光加工，可以防止特定區(qū)域過(guò)度曝光或曝光不足，光束整形器的典型應(yīng)用包括：裁切，燒蝕，打孔，劃線，退火，醫(yī)學(xué)和美學(xué)，顯微鏡和科學(xué)，光片細(xì)胞計(jì)數(shù)等。
操作原理
平頂光束整形器應(yīng)用中經(jīng)典的設(shè)置（圖1）包括激光器，光束整形器元件，聚焦光學(xué)元件和待處理的表面。
圖1
每個(gè)平頂光束整形器用一組特定的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)：
1.入射激光波長(zhǎng) 2.工作距離（EFL） 3.入射激光光束尺寸（D） 4.輸出光斑尺寸（d）
注意事項(xiàng)與限制
1.為了獲得高質(zhì)量的平頂光斑性能，入射激光要準(zhǔn)直射入，模式應(yīng)為單模（TEM00）且M2值小于具體規(guī)格的要求，一般要求M²＜1.3。如果M²值變大，則產(chǎn)生的平頂光斑的效果變差，這種情況下需要引入光闌、準(zhǔn)直系統(tǒng)或空間濾波器對(duì)入射激光進(jìn)行調(diào)整。
2.光束路徑中的所有孔徑必須至少比入射激光光束尺寸（1/e2）大2倍（大2.5倍optimal），因?yàn)樘〉目讖綍?huì)在輸出光斑上產(chǎn)生干涉圖樣或波紋。這些孔徑通常包括平面鏡（用于光束折疊或掃描），擴(kuò)束器，激光分束器和聚焦光學(xué)器件。
3.光束路徑中的所有光學(xué)器件應(yīng)具有高質(zhì)量，即具有低像差水平，以免增加波前誤差并降低平頂光斑性能。
4.在設(shè)計(jì)所需的輸出平頂光尺寸時(shí)，要考慮到“衍射極限（DL）”，“衍射極限（DL）”這個(gè)概念非常重要–這是min輸出光斑尺寸的物理光學(xué)極限，即如果從系統(tǒng)中刪除了光束整形器，理想的輸出光斑尺寸就是衍射極限光斑的尺寸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，光束整形器的輸出平頂光斑尺寸至少為如下公式定義的衍射極限光斑尺寸的1.5倍（對(duì)于M 2 = 1）。
衍射極限光斑尺寸的公式：
其中：L為聚焦光學(xué)器件的有效焦距，λ為入射激光波長(zhǎng)，D為入射激光光束尺寸，M2為入射激光束質(zhì)量參數(shù)。
光束整形器質(zhì)量因數(shù)
一些基本規(guī)則：
1.平頂光斑尺寸不可能小于衍射極限光斑尺寸（DL）。
2.光束整形器的尺寸和DL之間的因數(shù)決定了光束整形器的質(zhì)量和效率。較大的因子可以使邊緣更銳利。
3.光束整形器的過(guò)渡區(qū)不能小于0.5 DL，通常約為1 DL。
圖2為不同DL與相同平頂光斑尺寸的示例。
圖2
通常，應(yīng)用要求過(guò)渡區(qū)（能量峰值的13.5-90％）盡可能小，并且平頂光斑輪廓必須具有max的相對(duì)平坦尺寸，即均勻區(qū)域大小。隨著DL的減小，成型質(zhì)量提高，從而減少了“浪費(fèi)”的能量。
因此，質(zhì)量（Qth）參數(shù)定義為平頂光斑尺寸與DL的比值，公式如下：
平頂光斑（TH）光束整形器和穩(wěn)定平頂光斑（ST）光束整形器類型的比較
Holo / Or使用兩種不同的算法來(lái)設(shè)計(jì)光束整形器，這兩種算法各有其優(yōu)勢(shì)。原始的TH算法比ST算法具有更高的一致性。TH元件僅限于設(shè)計(jì)直線，矩形，正方形或圓形等基本光斑形狀，ST設(shè)計(jì)基于計(jì)算機(jī)輔助的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)任意的光斑形狀和強(qiáng)度分布的輪廓。TH元件具有較大的過(guò)渡區(qū)，比ST元件的過(guò)渡區(qū)大兩倍，但散焦性能更好。
圖3是典型TH / ST與等效設(shè)計(jì)疊加的比較圖-例如，90%相似性的輸出光斑尺寸。
圖3
光束整形器和多色光光束整形器的比較
標(biāo)準(zhǔn)的光束整形器針對(duì)特定的波長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，使用其他波長(zhǎng)將影響輸出平頂光斑的性能。如果客戶的應(yīng)用需要多色光源，則使用多色光光束整形器（ polychromatic beam shaper ）通常是更好的解決方案。多色光光束整形器可在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)正常工作，但是產(chǎn)生的平頂光斑尺寸和形狀準(zhǔn)確度較低對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的光束整形器。
下表是標(biāo)準(zhǔn)光束整形器和多色光光束整形器之間的比較表
類型 標(biāo)準(zhǔn)光束整形器 多色光光束整形器
入射激光波長(zhǎng)限制 有 沒(méi)有
材料 熔融石英，硒化鋅，塑料 熔融石英，鍺
平頂光斑形狀 任何 圓形，正方形，直線，矩形
效率 > 95％ > 95％
均勻度 通常<5％ 通常<10％
平頂光斑尺寸 非常精確 精確
平頂光斑形狀 非常Precise 準(zhǔn)確
平頂光斑質(zhì)量 與波長(zhǎng)無(wú)關(guān) 與波長(zhǎng)成反比
平頂光斑發(fā)散全角 與波長(zhǎng)成比例 與折射率成正比
表1
光束整形器普遍的規(guī)格
材料 熔融石英，硒化鋅，硫化鋅，鍺，硅，塑料
波長(zhǎng)范圍 193nm至10.6um
DOE設(shè)計(jì) 2級(jí)（二進(jìn)制）到16級(jí)（或灰度）（灰度）
多色設(shè)計(jì) 連續(xù)自由曲面
類型 透射或反射
min全角 非常?。s為衍射極限尺寸1.5倍對(duì)應(yīng)的角度）
效率 高達(dá)99％
DOE尺寸 3 – 150毫米
涂層（可選） 增透膜
定制設(shè)計(jì) 任何形狀
表2
典型的光束整形器的公差表
入射激光波長(zhǎng)設(shè)計(jì) ±2%
X-Y偏心位移 入射激光直徑±5%
傾斜 ±5%度
入射激光直徑 ±5%
入射激光橢圓度 5%
工作距離（散焦） 聚焦平頂光斑尺寸<50％
表3
公差對(duì)光束整形器的影響
在上述公差表范圍內(nèi)使用光束整形器將獲得optimal性能。為了說(shuō)明光束整形器性能對(duì)不同公差參數(shù)的敏感性，此處包括了一些典型光束整形器的圖形（工作距離WD：120mm，入射激光波長(zhǎng)λ：532nm，入射光束尺寸Din：10mm）。
圖4為輸入光束的x軸或y軸偏心位移對(duì)輸出光斑的影響
圖4
值得注意的是，在上面的圖4中由于偏心導(dǎo)致的“傾斜”平頂輪廓；即強(qiáng)度從點(diǎn)的一側(cè)到另一側(cè)的斜率。
圖5為工作距離（散焦）對(duì)輸出光斑的影響
圖5
請(qǐng)注意，當(dāng)工作距離減小（紫色曲線），或者工作距離增加（綠色曲線）時(shí)，其行為表現(xiàn)不同。在這兩種情況下，均勻度都會(huì)下降，而增加工作距離的情況會(huì)在平頂光斑的邊緣出現(xiàn)狹窄的峰（像“狗耳朵”），而縮短工作距離的情況則會(huì)使輸出光斑邊緣更圓滑。
圖6為入射激光直徑對(duì)輸出光斑的影響
圖6
有趣的是，在圖6中產(chǎn)生了與圖5非常相似的效果。太大的光束直徑和更大的工作距離之間存在明顯的平行關(guān)系。“狗耳朵”的效果是相同的。
我們已經(jīng)發(fā)布了在Zemax中建模光束整形器的教程，如有疑問(wèn)請(qǐng)和我們的技術(shù)工程師溝通。
