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匀化器操作原理,匀光片应用手册

作者: 时间:2020-04-06

 

匀光片又称作匀化镜、扩散器或匀化器(DF/HM),将单模或多模入射激光转化成任意形状的均匀光斑,光斑的形状、尺寸和强度分布都可以根据客户的需求订制。匀光片的常用应用领域有:激光均化,激光材料加工如激光划线和焊接,美容激光治疗,准分子激光器的光束成形等。

匀光片在半随机方向上分裂入射光束,以便在远场或焦平面上获得所需要的强度分布形状。这种方法可以设计出能够产生精确发散角度和任意的输出光斑尺寸和形状以及强度分布的元件。匀光片产生的光斑的性能在很大程度上取决于入射光束参数。通常,可以用入射激光质量M²来区分:

·M²<~5的高相干光束(和准单模入射激光束)

·多模入射激光束(M²>5

对于单模入射激光,可以通过光束整形器(beam shaper)的设计,其输出的平顶光斑(top hat/TH)在强度分布,均匀性,效率和过渡区等方面能获得最佳结果。当使用定义更复杂的入射光束(较高的M²值)时,这种入射光束的强度任意分布而不是近乎完美的高斯光,匀光片将成为首选方案。

除了一些基本的规则形状(如圆形,正方形,矩形等),我们还可以设计任意形状如下图所示的不规则形状:


操作原理和注意事项

1.      选择或设计匀光片所需要的最低要求参数:

·入射激光波长

·输出光斑形状和强度分布(平顶光斑或定制)

·输出光斑的发散全角或光斑尺寸大小或工作距离EFL

·入射激光光束质量M²

2.      普通的匀光片元件在DOE窗口上制造,由于匀光片限制了一定的发散角,因此客户可以通过选择合适焦距的聚焦透镜来控制光斑平面上的光斑尺寸。典型的匀光片系统设计包括:激光发射器,匀光片DOE和聚焦透镜,如下图所示:

3.      可以从几何角度轻松计算匀光片的光学参数,公式如下:

其中D为光斑尺寸,EFL为工作距离,θf为发散全角。

4.      Holo / Or可以将DOE窗口和特定的聚焦透镜组合到一个混合元件中来设计集成解决方案。 衍射图案将被蚀刻在聚焦透镜(平凸透镜)的平面上。 该解决方案的优点包括更小的光学表面,紧凑的尺寸和较低的重量。

5.      最小发散角大约等于衍射极限光斑直径的5-10倍。 另外,较大的角度比(达到一定水平)将提高性能质量。 1 / e2处的衍射极限光斑直径的公式(DLspotsize)如下:

其中L为工作距离,λ为入射激光波长,D为入射光束直径,M²为入射光束质量。

6.      平顶光斑的边缘通常比较锐利并且轮廓分明,入射光束的发散全角和输出光斑的发散全角的比值决定了输出光斑过渡区和输出光斑均匀区的比值。

7.      建议将入射光束直径(1/e²)保持在通光孔径的67%一下,以保持良好的功率传输效率。这将确保99%的能量通过量并以高斯强度分布。

8.      更高的入射激光质量M²,可以提高输出光斑的均匀性。


匀光片(入射激光为单模光束和多模光束)

单模光束(TEM00)和多模光束的对比表格:

在使用高斯入射激光的情况下,匀光片的复杂混乱的震荡或散斑的强度分布曲线是由于激光的干涉引起的。尽管如此,许多计量学应用还是从这种散斑的图片中受益。对于材料加工应用,能量的热分布比点强度值更重要,在许多应用中(但不是全部应用),具有自然的平滑效果,可消除大多数波动迹象。

不同入射光束质量(M²值)对输出光斑形状的影响:

1.      光斑形状边缘变宽

2.      散斑减少,强度分布变得更均匀

可以看出,M²值较小的情况下,零阶光斑集中在一个较小的区域,因此对比其他区域,零阶光斑显得更突出。


规格书

材料

熔融石英,蓝宝石,ZnSe,塑料

入射激光波长范围

193nm~10600nm

DOE设计

二进制(2级)和最多16

衍射效率

75%~98%

元件大小

2mm~100mm

涂层(可选)

增透膜

定制设计

量身定做的光斑形状和强度分布

输出光斑发散角度

几毫弧度到716毫弧度

高均匀度匀光片(RH/HH/XH

高均匀度匀光片(均匀度可以定义为单位面积的平均强度),是一类新的具有增强性能的匀光片,其优点是具有更高的均匀性和更低的零阶光斑强度,因此非常符合较低M²值的入射光束,适用于不能用于平顶光束整形器的应用。DOE的设计包括两个衍射面,第一个衍射面降低入射光束的相干性,第二个衍射面使光束表面成型。

HH与HM的对比表格:

参数

HH对比HM

同质性

更好

效率

差一点

零阶光斑强度

大大减少

过渡区

更大

HH与MH的输出光斑对比表格:

匀光片应用举例

下图的光学装置显示了耦合到MM光纤的激光,当与聚焦透镜一起使用时,可以在远场或焦平面中实现均匀的强度分布。从激光器射出的光纤模数与光纤长度和纤芯直径成正比。 光纤输出的每种模式都会通过匀光片传播,从而在焦平面上产生干涉图样。 但是,与单模光束相反,多模包含多种这些模式。 每种模式都将创建不同的图样彼此重叠。 在焦平面上,这会产生一个平均良好的输出光斑。该设置不需要激光束参数的任何特定属性。



匀化器安装/敏感度的机械公差

匀光片可以非常容易地安装在光学系统内部。

公差表格:


参数

影响

备注

Z偏移(沿光轴)

不敏感

只要全部衍射光线都进入聚焦元件

XY偏移

不敏感

Z倾斜度

不敏感

输出形状旋转

XY倾斜度

零阶略有增加

入射光束尺寸

不敏感

必须大于规范定义中的最小值

偏振

无效果

常见问题

问:平顶光光束整形器和匀光片有什么区别?

答:THHM的对比表格:

参数

平顶光DOE

匀光片DOE

准直入射激光

M²值<1.3

任何M²值

输出光斑形状

任何形状

任何形状

输出光斑精确度

优秀

均匀度

很好

取决于入射激光光束M²值,M²值越大输出光斑越均匀

边缘陡度(过渡区)

≤衍射极限光斑直径

取决于入射激光光束M²值,M²值越大陡度越小

问:如果使用其他激光波长(非匀光片规格的波长)会怎么样?

答:1.每个匀光片元件都是按照特定波长所制造的。在特定的入射激光波长情况下,给定的扩散角所对应的衍射蚀刻图案是唯一的。因此,与规格不同入射激光波长的情况下,使用匀光片会产生新的扩散角以及输出光斑尺寸大小,实际输出光斑的参数与(实际的λ/规格的λ)之比成比例。 

2.蚀刻深度针对设计的特定入射激光波长进行了优化,在其他波长下使用会导致输出光束中的能量迁移,并且一部分扩散功率会移动到非均匀的零阶,在输出光束中显示为中心峰。

尽管如此,我们的匀光片产品可以灵活地用于在很宽的波长谱上以产生各种各样的扩散角,只有刻蚀工艺需要根据客户需求进行改进优化。


问:DOE与聚焦透镜之间的推荐距离是多少?可以是几毫米吗?

答:对于匀光片系统,DOE和聚焦系统之间的距离并不重要,只要聚焦系统的通光孔径足够大(在聚焦镜头位置约为1.5×输出光斑尺寸)以防止由于截断而造成能量损失。公式如下:


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