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平顶光束整形器的应用手册

作者: 时间:2009-12-27


随着半导体、OLED、太阳能电池等产业推动的高端激光加工设备的发展,越来越多的设备厂商都要求把激光束聚焦为强度、能量平均分布的平顶激光光斑(Top hat)。平顶光斑的特点是顶部能量均匀,边界非常锐利,即“过渡区”短、光斑上激光能量90%10%的陡峭曲线能产生明显的激光边界,清晰的区分了激光处理区域和未经处理的区域。

因此平顶光十分适合用于各类激光加工应用,达到高效且高精度的要求。但若在光束整形器获得平顶光的过程中,操作不当或设计参数未考虑周全,会导致平顶光加工效果大大降低。因此,请用户需了解平顶光束整形器注意事项,阅读光束整形器应用手册。

 

Holoor光束整形器有4个主要影响平顶光效果的因素

1.波长,其平顶光的优化效果,通常只针对单一波长或一定范围内的波长

2.输入光束尺寸误差-Din,(太大两边会拉高,光束直径太小两边会降低)

3.输入光束是否完全准直(不准直会产生强度从高到低“倾斜”效应)

4.工作距离-WD,工作距离是否偏离聚焦平面(平顶光斑的一致性在这两种情况下都会下降)

 

光束整形器的主要应用:

激光烧蚀 ,激光焊接,激光钻孔,激光打孔,激光划片

Filters for cigarettes

激光医学、美学激光(景观)和娱乐激光

激光显示,激光电视

 

平顶光束整形器的工作原理:

激光光束整形器的大致的构架分为折射/衍射元件(折衍混合元件)、入射激光以及待处理表面三个不分离。光束整形器是一个相位型的DOE(衍射光学元件),它的作用是将入射的高斯光在一定的工作距离下转换成具有陡峭边缘的平顶光束。


 

光束整形器的设计要点

光束整形后的效果跟入射光的光束质量(M2)有很大的关系,通常选择单模激光输出(TEM00),它的M2<1.3,可以获得很好的平顶光效果。如果M2太大,可以在使用DOE元件前,插入空间滤波器(spatial filter)降低入射光的M2值。


如上图所示,空间滤波器(spatial filter)的结构主要由准直透镜、聚焦透镜和焦平面的小孔组成。需要注意的是平面的的孔径要小但不能过小(其孔径必须大于2倍光束直径 (1/e^2),最好达到2.5倍),因为过小的孔径会在输出面上产生波纹或寄生干涉图样。通过调整这两个镜头的焦距,空间滤波器还可以用作光束扩展器。

 

设计平顶光束整形器还要熟悉衍射极限,衍射极限的公式:

L:工作距离           λ:波长           D:输入光束直径的大小              M2:输入激光的M2

 

如果用户希望获得更小的平顶光斑,需要首先对激光进行扩束准直,因为大光斑对应更小的衍射极限,激光整形元件能够获得的最小光斑是衍射极限的1.5倍。因而大的入射光束直径可以获得更小的光斑,同时对平顶光斑的纠错能力也有提升。

光束整形器需要准直的入射光束,为了得到稳定的平顶效果,一般是将元件放置在激光的束腰处,即便其有一定的发散角(小于1°),其平顶效果依然明显。在使用过程中,如果DOE放置在距离束腰有一定的距离,则必须考虑入射光束的光斑大小和发散角,以得到入射到元件上的光斑大小,这样的结果虽然也能达到平顶效果,但是其平顶光斑位置会发生改变。总之,精准的入射光控制更有利于达到预定的设计效果。

特性:

            平顶光具有尖锐的过渡区,均匀性好,边界分明

            95%的高衍射效率,高能量阈值,适合大功率激光器

            x - y位移灵敏度: 容错率5%的输入光束, 超过效果会变差

            对输入光束直径容错率5%之内

            工作距离灵敏度:小于50%的光斑大小,超过效果会变差

平顶光斑大小与衍射极限的关系

基本规则:

衍射极限一定大于平顶光斑的大小

平顶光斑大小和衍射极限的比例决定光束整形的质量和衍射效率。比例越大边缘越锐利,效果越好。

光束整形器的透射区域不能<0.5倍衍射极限,一般为约1倍衍射极限

同样的光斑尺寸,不同的于衍射极限的比例:

典型的应用会选择传输区域(13.5%-90%)尽可能小,平顶光斑会选择较大的均匀区域。

对准和光学参数误差:

激光系统的每个光学参数都直接影响光束整形器的效果,当设计光学部件时,应该照顾好包括衍DOE射光学元件在内的每个参数,以确保这些系统参数的控制和稳定。

大的入射光束直径可以获得更小的光斑,同时对平顶光斑的纠错能力也有提升。因此,可以通过扩大输入光束直径来增加尺寸上的容错率。例如,对于10mm的输入光束直径,容错率为5%0.5mm,而对2mm的光束直径, 容错率5%,对应的就只有0.1mm

模拟实验——参数误差对光束整形器轮廓的影响

要想获得与设计性能完全一致的效果,激光系统所有对应的光学参数需全部对准符合。即光束整形器位于设定的位置,入射光为准直光束,x轴和y轴完全对准。为了说明不同误差参数对光束整形器的影响性,下图给出了一些变化规律(WD:120mmλ:120 nmDin:10mm)

4:输入光束x轴或y轴是否对准对DOE中心光束整形效果的影响


入射光束不是完全准直时会发生“倾斜”效应,即强度从高到低的斜坡。

5:工作距离偏离焦平面时的光束整形效果

* *注意上面光束整形曲线的不同行为,当位于太近时为红色曲线,太远时为绿色曲线。平顶光斑的一致性在这两种情况下都会下降。

6:输入光束尺寸误差对平顶光斑的影响


 

普通平顶光斑(Top Hat)与稳态平顶光斑(Stable Top Hat)

Holoor提供平顶光斑(Top Hat)和稳态平顶光斑(Stable Top Hat) 两种不同算法。普通平顶光斑的尺寸大小是衍射极限的5倍。而稳态平顶光斑可获得的最小激光光斑尺寸为衍射极限的1.5倍,且拥有比普通平顶光斑更好的均匀性。

下图为两种算法的等效叠加——即与光斑大小相同,可以看出Holoor独家专利的稳态平顶光束整形技术具有更陡峭的边缘。


对比光束整形器和多波长光束整形器

标准的光束整形器是只针对某一个指定的波长进行优化,当优化其他波长时,平顶光效果会大打折扣。针对一些需要应用多个波长的客户,我们提供新的解决方案——多波长光束整形器。其能够把一定波长范围内的光斑都优化成平顶光,用低成本获得多个光束整形器才能实现的功能,但多波长光束整形器对于光斑大小和形状控制精确性稍差。

优势对比:

类型

标准光束整形器

多波长光束整形器

波长

单一波长

多波长

材料

熔融石英,ZnSe,塑料

熔融石英、光学玻璃

平顶光斑的形状

任何

圆形,正方形,长方形,线

效率

> 95%

> 95%

均匀性

一般< 5%

一般< 10%

平顶光斑的大小

非常精确

精确

平顶光斑的形状

非常准确

准确

平顶光斑质量(在单位的衍射限制数量)

取决于波长

与波长成正比

平顶光发散角

与波长成正比

折光率成正比

 

光束整形器的MATLAB设计工具

Holoor提供免费的光束整形器的MATLAB设计工具。用户可以自由选择波长, 光斑大小,工作距离和输入直径等参数,软件还提供一个快速设计模拟报价单的链接。

 

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