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衍射光学元件

衍射光学元件

如今,衍射光学元件(DOE)技术已经成为一种成熟并且广泛应用的技术。衍射光学元件主要有整形器,匀光器和分束器等大致的三类。其主要是应用于激光材料加工应用,医美和科学应用与实验。 上述的这些应用拥有很大的市场,占整个激光市场这块蛋糕的很大一部分。由于对激光功率和精确度要求不断的增长,DOE的高激光损伤阈值和精确的优势使其成为有效解决方案。

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衍射光学元件DOE 用于激光材料加工,医美

 

衍射光学元件

衍射光学元件(DOE)利用微结构设计来改变其传播的光的相位。合理的设计光学衍射原件表面的微结构能够使输入特定光的时候输出任何符合设计的光强分布的光。DOE技术实现了传统光学系统不可行的许多功能和对光操作。

许多应用中,这些技术极大的提高了系统性能。 衍射光学方案拥有许多优势,例如:高效率,高精度,小尺寸,低重量,最重要的是它灵活的满足各种不同应用要求。

DOE产品:分束器和光束整形器。

光束分束器DOE用于将单个激光束分成几个光束,每个光束具有与入射光束相同的特性(除了功率和传播角度)。根据分束器的衍射图案,分束器可以产生1维光束阵列(1×N)或2维光束矩阵(M×N)。分束器DOE还可以将入射光束分成有不同的光斑分布,例如圆形,随机图案,六边形阵列等。光束分离器需要与单色光(例如激光束)一起使用,不同分束器有特定波长和和特定的输出光束之间的分离角。

光束整能够在工作面上将近高斯光束转换为圆形、矩形,正方形和线形的均匀光束,并且边缘轮廓(光强分布)。十分的清晰,同时光束整形器能够实现输出强度分布均匀,使激光加工时能够均匀处理表面,防止特定区域的过度曝光或曝光不足。 此外,光斑有陡峭的过渡区域,故而在处理区域和未处理区域之间形成清晰的边界。光束整形器系列包括均化器,top-hat,涡旋透镜(螺旋相位板)和衍射轴锥镜。

 

DOE的典型应用

随着激光功率的不断增加,许多集成系统的用户光学元件可能无法承受高功率激光。 故而,激光诱导损伤阈值(LIDTLDT)的参数成为选择光学元件时的重要因素。 衍射光学元件的高损伤阈值使其成为高功率工业系统和应用的理想选择。激光材料加工应用和基于激光的医疗美容(医美)都需要高功率激光器。

1不同的分束器光斑分布,从左到右:5×5阵列,随机,六边形阵列,圆形

2不同光束形状的结果,从左到右:均质器,平顶光,涡旋透镜和衍射棱镜

 

衍射光学元件在激光材料加工应用中的应用

最近,用于工业需求的新激光系统的开发已经增加。开发了许多新工艺,许多的传统加工工艺被激光加工工艺所取代。激光材料加工占整个激光器市场的很大的一部分,DOE在提供适应工艺的激光束成形方面发挥着重要作用。激光束成形和均匀化技术是优化许多激光材料加工应用必不可少的步骤。DOE通常用于激光烧蚀和激光加工系统,激光钻孔,激光切割和其他加工,以形成表面上的小特征结构。

 

DOE以激光为基础的美容治疗

随着激光技术的使用成为医美领域中更加不可或缺的工具,控制激光输出的能力变得越来越重要。DOE提供了一种独特的解决方案,允许光束以多种方式进行操作,同时保持元件的轻巧。美容治疗通常使用高功率激光。要求激光均匀和精确的光线曝光,具有精确的锐利边缘,同时拥有高效率。这就是使用衍射光学器件进行光束整形的理想解决方案。DOE常用于激光脱毛,激光纹身去除,皮肤修复,皮肤再生等等。

 

衍射光学元件——分束器

分束器的工作原理非常简单。 根据客户的系统要求,从准直输入光束,输出光束以分离角度从分束器DOE出来,该分离角度在DOE的设计期间确定的并且分离角度非常准确(误差<0.03mRad)。 光束的分离是为远场设计的。 因此,随着光束在DOE之后继续传播,它们变得更加明确。

 

3分束器DOE,基本设置,EFL =有效焦距,m =多点的阶数(点),θs=两个焦点之间的分离角度,d = 2个焦点之间的距离(间距),θf= 全角,D =光点阵列的长度

4 1×6多点在色散介质中传播

产生的拥有“零级”的多光斑没有衍射并且光束遵守反射和折射定律。对于具有奇数个光束的标准分束器,分离角度是阶数+1和阶数0之间的角度(阶数0是期望的光束)。 对于具有偶数个光束的标准分束器,分离角是+1阶和-1阶之间的角度(零阶不是所需的光束)。

 

衍射光学元件——使用DOE光束整形

衍射光束整形器是相位元件,在特定工作距离处其将高斯输入光束转换成具有锐边的均匀光斑。每个光束整形器都仅能在特定光学条件下使用,也即一组独特的光学系统参数:波长,输入光束尺寸,工作距离和输出光斑尺寸。

光束整形器应用中最基本的设置包括激光器,衍射光束整形器元件和待处理的表面。

 

平顶光束整形器

顶帽光束整形器用于将近高斯入射激光束转换成圆形,矩形,正方形,线形或其他形状的均匀强度的光斑,在特定的工作平面中具有高质量的锐利边缘。为获得高质量的光束整形器性能,激光输出应为单模(TEM00),M2<1.3

通过光束整形器能够在待处理的物体表面留下均匀的光斑点,并且在表面上能够防止特定区域过度曝光或曝光不足。此外,该斑点的特征在于尖锐的过渡区域,其在处理区域和未处理区域之间形成清晰的边界。顶帽光束整形器具有高效率(通常> 95%),优异的均匀性(通常为±5%),陡峭的过渡区和高激光损伤阈值。此外,顶帽式光束整形器对输入光束尺寸,工作距离和元件位移敏感。平顶DOE通常用于激光材料加工应用(激光烧蚀,激光切割,激光钻孔),美学处理(纹身和脱毛),科学应用(流式细胞术)等等。

 

匀化器——光束整形器

光学均化器DOE将单模或多模输入光束转换成明确定义的输出光束,其特征在于具有期望的形状和均匀的平顶强度。最常见的漫射器得到的形状是圆形,方形,矩形,椭圆形和六边形。同时,几乎可以设计任何形状的图像。漫射光束的边缘通常是陡峭的可确定的。输入发散角与均化器的扩散角之间的比率确定了过渡区域与输出光束的均匀化区域的比率。为了达到光束在远场或焦平面中的强度分布达到理想,DOE匀化器将入射光在一个半随机的方向在半场随机方向上分束。该方法能够设计出能够产生任意形状的元件,在光强均匀的条件下具有精确输出角度和尺寸。漫射器性能很大程度上取决于入射光束参数,此外,通过使用高M2输入光束可以实现更高的均匀性(图7)。均质器光束整形器对光束尺寸,位移和元件倾斜不敏感。它提供高激光损伤阈值,而均匀性和效率随设计而变化。均质器DOE通常用于激光材料加工应用(激光焊接,激光钎焊),美学处理(纹身/脱毛,身体轮廓)等等。

5光束整形器DOE,基本设置,d =成形光斑尺寸,D =光束直径,EFL =有效焦距。

6顶帽强度分布,左:方形,右:圆形

7均质器性能根据M2变化,左:M2 = 1,右:M2 = 10           8涡旋透镜DOE阶梯相

 

衍射光学元件——螺旋相位片

涡旋透镜DOE将高斯输入分布转换为环形能量环。螺旋相位板是一种独特的光学元件,其结构完全由螺旋或螺旋相位组成,其目的是控制透射光束的相位。从“阶梯”的顶部到底部的总蚀刻深度是设计波长和基板的光学指数的函数。一般条件下,该深度与设计波长具有相同的数量级。因此,每个涡旋相板都是波长特异性的。光学涡旋需要输入准直的单模(TEM00)高斯输入光束,并且它将其转换为TEM01轴对称模式。

使用更大输入光束直径具有两个明显的优势。首先,较大的光束稍微降低了输出对DOE对准公差的灵敏度。其次,较大的输入光束直径将能够产生较小的涡流点,这在许多应用中通常是期望的结果。涡旋透镜具有高效率(通常> 90%)和较低的损伤阈值。它具有元件位移和旋转的灵敏度。涡旋透镜DOE通常用于材料加工应用(焊接),光学通信(光学模式转换和生成),科学应用(STED显微镜,光学镊子)等等。

 

总结:

近年来,衍射光学元件已经成为一种成熟并且广泛应用的技术。DOE技术主要应用于光束整形和分束等。其主要是应用于激光材料加工应用,医美和科学应用等领域, 并且拥有很大的市场,占整个激光应用市场很大一部分。由于对激光功率不断提高以及对精确度要求不断的严格,DOE的高激光损伤阈值和高精确的特点使其成为解决激光应用问题的有效方案。

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