光束整形器的原理，平**光束整形器應(yīng)用手冊

時(shí)間：2020-04-03作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：133

光束整形器是一種衍射光學(xué)元件，現(xiàn)如今在很多領(lǐng)域廣泛使用，較常用于激光加工，可以防止特定區(qū)域過度曝光或曝光不足，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**光束整形器應(yīng)用中較經(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**光束整形器用一組特定的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)計(jì)：
1.入射激光波長 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
? 為了獲得高質(zhì)量的平**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**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。
? 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倍較佳），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。
? 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**光斑性能。
? 在設(shè)計(jì)所需的輸出平**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–這是較小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**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，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：
? 平**光斑尺寸不可能小于衍射極限光斑尺寸（DL）。
? 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較銳利。
? 光束整形器的過渡區(qū)不能小于0.5 DL，通常約為1 DL。
圖2為不同DL與相同平**光斑尺寸的示例。
 
圖2
通常，應(yīng)用要求過渡區(qū)（能量峰值的13.5-90％）盡可能小，并且平**光斑輪廓必須具有較大的相對(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**光斑尺寸與DL的比值，公式如下：
 


平**光斑（TH）光束整形器和穩(wěn)定平**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設(shè)計(jì)光束整形器，這兩種算法各有其優(yōu)勢。原始的TH算法比ST算法具有較高的一致性。TH元件**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元件具有較大的過渡區(qū)，比ST元件的過渡區(qū)大兩倍，但散焦性能較好。
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)特定的波長進(jìn)行了優(yōu)化，使用其他波長將影響輸出平**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 ）通常是較好的解決方案。多色光光束整形器可在很寬的波長范圍內(nèi)正常工作，但是產(chǎn)生的平**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
入射激光波長限制 有 沒有
材料 熔融石英，硒化鋅，塑料 熔融石英，鍺
平**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**光斑尺寸 非常精確 精確
平**光斑形狀 非常精準(zhǔn) 準(zhǔn)確
平**光斑質(zhì)量 與波長無關(guān) 與波長成反比
平**光斑發(fā)散全角 與波長成比例 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
較小全角 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**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較佳性能。為了說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**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
請注意，當(dāng)工作距離減?。ㄗ仙€），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**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)使輸出光斑邊緣較圓滑。
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。太大的光束直徑和較大的工作距離之間存在明顯的平行關(guān)系?！肮范洹钡男Ч窍嗤?。
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