作者： 时间：2024-01-16
非球面透镜作为高功率超短脉冲激光应用中轴向整形的聚焦光学器件案例研究，这个案例研究的目的是为了帮助使用USP激光器寻找适合工业应用的聚焦镜，如贝塞尔光束和多焦点DOE。Holo/or给出了实用的技巧，回顾了几种透镜规格，并使用ZEMAX分析了具有各种非球面透镜的多焦点衍射透镜的性能。
Holo/or提供了各种轴向整形解决方案，例如衍射多焦点透镜、衍射锥透镜，以及我们用于激光玻璃切割的 DeepCleave模块的一体化解决方案。Holo/or希望为打算使用聚焦镜的客户提供支持，并帮助您为高数值孔径情况选择合适的聚焦光学元件。
焦点整形包括两种类型的解决方案，连续整形–用于生成贝塞尔光束的衍射锥透镜，离散分裂-多焦点衍射元件。
典型应用
1. 玻璃切割
2. 玻璃批量改性
这些应用中的大多数都需要高功率密度，因此需要对小光斑（通常为1-5um）进行紧密聚焦。因此，非球面透镜成为轴向聚焦的最佳选择。
非球面透镜的优点
-高数值孔径
-通光孔径大
-工作距离远
-性价比高
-高功率
-可用的设计文件
轴向光束整形的质量参数是所有焦点或整个景深范围的光斑尺寸（类贝塞尔光束的中心尺寸）。
大多数供应商提供的物镜数据并不能说明高功率USP激光应用的性能。设计文件很少提供，因此很难说物镜在焦点整形应用中是否能达到USP激光器所需的性能。
透镜（物镜）数值孔径和光束数值孔径是有区别的。对于激光应用，数值孔径由光束大小定义，它总是小于光学元件的数值孔径。经验法则是，衍射极限性能和孔径最小削波的最大光束数值孔径为数值孔径光学镜片/1.5。例如，NA0.5和通光孔径22.5mm的非球面透镜可用于最大光束尺寸为15mm。
非球面透镜种类繁多，用途各异，很容易让人眼花缭乱。非球面透镜选型参数有非球面透镜的材质、镀膜和设计波长、焦距等。与具有相同表面精度的熔融石英非球面聚焦透镜相比，N-BK7非球面聚焦透镜的成本通常更低。对于许多工业应用来说，由N-BK7制成的镜头可能是一个很好的且具有成本效益的选择。
注意：由于非球面透镜是完成整个光学“工作”的单个元件，并且具有高数值孔径，因此它对包括透镜几何形状和机械对准在内的所有公差都非常敏感。镜头规格中还出现了许多其他参数。除非在加工过程中进行测试，否则不可能真正知道哪种聚焦镜对您的应用来说足够好。经验法则是选择尽可能高端的。
Edmunds Optics和Sill Optics非球面透镜的性能分析
基本检查将包括镜头在工作波长下的聚焦质量。如果透镜在简单对焦方面表现不佳，那么它就不利于沿对焦轴进行更具挑战性的轴向整形任务。Holoor DOE镜片搭配不同非球面聚焦镜的光斑分布效果模拟如下。
为了进行比较，Holo/or使用了4个具有相似EFL的镜头，并使用相同的0.3数值孔径进行建模。第一个是设计波长为1064nm的33-019非球面透镜，第二个透镜是设计波长为587.6nm的49-593非球面透镜，第三个透镜是最佳形状非球面透镜89-439，设计波长为1064nm，它的第二个表面是凸面，最后一个透镜是Sill Optics S1ADX0220-328型的最佳拟合非球面透镜，设计波长1064nm。
打开ZEMAX文件后，发现镜头33-019和49-593是相同的镜头，但镀膜类型不同。镜头49-593已从比较列表中删除。
Holo/or从聚焦光斑开始分析，建议使用惠更斯PSF等物理光学方法进行分析。在下图中，我们显示了NA 0.3时聚焦光斑的光斑轮廓。镜头33-019和S1ADX0220-328显示出相同的衍射极限焦点性能，而89-439的光斑略大。Holo/or将继续对一个具体的案例研究进行调查。
案例研究
激光参数波长1064nm，M21.1，EFL25mm的光束尺寸为15mm，EFL20mm的光束尺寸为12（相同的 NA）。
设计任务系统2：5个焦点，全距离为100μm，聚焦光斑直径为<2.5μm
设计计算：所需的输入光束尺寸为15mm（EFL25mm）和12mm（EFL20mm），以达到2.5um <光斑
我们使用Holo/Or的教程在ZEMAX中设计了多焦点DOE+理想透镜的设置，然后用非球面透镜替换了理想透镜。非球面透镜沿Z轴的强度分布。
ZX平面强度分布
在相同的光学条件下，使用几何图像分析方法和散射效应来评估性能，以显示真实的高斯光束行为。剖面清楚地表明，33019镜头的光束质量在靠近原焦平面的焦点处要好于在原焦平面之后的焦点处。与其他测试透镜相比，镜头 89439的性能不太理想。它有很好的中央聚焦光斑，但其他光斑却有畸变。测试中的最后一个镜头S1ADX0220-328 与理想镜头相比，性能几乎完美。
总结和结论
本文介绍为DOE选择合适的非球面聚焦镜的方法，进行了Holoor DOE镜片搭配不同非球面聚焦镜的光斑分布效果模拟，所有展示的非球面聚焦透镜都通过了模拟测，在这个案例研究中，双凸非球面透镜有着一个显著的优势。
贝塞尔光束的表现与多焦点光束类似，得出的结论也相同。
在光学元件家族中，非球面透镜仍然是一种新的光学元件。具有相同 EFL、NA 和材料的透镜，即使在与焦点不同的位置，其标称性能也会有所不同。透镜的规格包括许多参数，但这些参数对于了解透镜是否适合应用目的并无太大帮助，因此建议进行模拟评估。
