平顶光束整形器的原理及应用

作者：时间：2020-03-26

光束整形器是一种衍射光学元件，用于将高斯（TEM00）入射激光束转换成圆形，矩形，正方形，直线或其他自定义的形状。光束整形器产生的平顶光斑常用于激光加工，可以防止特定区域过度曝光或曝光不足，光束整形器的典型应用包括：裁切，烧蚀，打孔，划线，退火，医学和美学，显微镜和科学，光片细胞计数等。

操作原理

平顶光束整形器应用中最经典的设置（图1）包括激光器，光束整形器元件，聚焦光学元件和待处理的表面。

图1

每个平顶光束整形器用一组特定的光学系统参数来设计：

1.入射激光波长 2.工作距离（EFL） 3.入射激光光束尺寸（D） 4.输出光斑尺寸（d）

注意事项与限制

为了获得高质量的平顶光斑性能，入射激光要准直射入，模式应为单模（TEM₀₀）且M²值小于具体规格的要求，一般要求M²＜1.3。如果M²值变大，则产生的平顶光斑的效果变差，这种情况下需要引入光阑、准直系统或空间滤波器对入射激光进行调整。
光束路径中的所有孔径必须至少比入射激光光束尺寸（1/e²）大2倍（大2.5倍最佳），因为太小的孔径会在输出光斑上产生干涉图样或波纹。这些孔径通常包括平面镜（用于光束折叠或扫描），扩束器，激光分束器和聚焦光学器件。
光束路径中的所有光学器件应具有高质量，即具有低像差水平，以免增加波前误差并降低平顶光斑性能。
在设计所需的输出平顶光尺寸时，要考虑到“衍射极限（DL）”，“衍射极限（DL）”这个概念非常重要–这是最小输出光斑尺寸的物理光学极限，即如果从系统中删除了光束整形器，理想的输出光斑尺寸就是衍射极限光斑的尺寸。根据经验，光束整形器的输出平顶光斑尺寸至少为如下公式定义的衍射极限光斑尺寸的1.5倍（对于M ² = 1）。

衍射极限光斑尺寸的公式：

其中：L为聚焦光学器件的有效焦距，λ为入射激光波长，D为入射激光光束尺寸，M²为入射激光束质量参数。

光束整形器质量因数

一些基本规则：

§ 平顶光斑尺寸不可能小于衍射极限光斑尺寸（DL）。

§ 光束整形器的尺寸和DL之间的因数决定了光束整形器的质量和效率。较大的因子可以使边缘更锐利。

§ 光束整形器的过渡区不能小于0.5 DL，通常约为1 DL。

图2为不同DL与相同平顶光斑尺寸的示例。

图2

通常，应用要求过渡区（能量峰值的13.5-90％）尽可能小，并且平顶光斑轮廓必须具有最大的相对平坦尺寸，即均匀区域大小。随着DL的减小，成型质量提高，从而减少了“浪费”的能量。

因此，质量（Qth）参数定义为平顶光斑尺寸与DL的比值，公式如下：

平顶光斑（TH）光束整形器和稳定平顶光斑（ST）光束整形器类型的比较

Holo/Or使用两种不同的算法来设计光束整形器，这两种算法各有其优势。原始的TH算法比ST算法具有更高的一致性。TH元件仅限于设计直线，矩形，正方形或圆形等基本光斑形状，ST设计基于计算机辅助的数值优化设计，可以实现任意的光斑形状和强度分布的轮廓。TH元件具有较大的过渡区，比ST元件的过渡区大两倍，但散焦性能更好。

图3是典型TH / ST与等效设计叠加的比较图-例如，90%相似性的输出光斑尺寸。

图3

光束整形器和多色光光束整形器的比较

标准的光束整形器针对特定的波长进行了优化，使用其他波长将影响输出平顶光斑的性能。如果客户的应用需要多色光源，则使用多色光光束整形器（ polychromatic beam shaper ）通常是更好的解决方案。多色光光束整形器可在很宽的波长范围内正常工作，但是产生的平顶光斑尺寸和形状准确度较低对比标准的光束整形器。

下表是标准光束整形器和多色光光束整形器之间的比较表

类型	标准光束整形器	多色光光束整形器
入射激光波长限制	有	没有
材料	熔融石英，硒化锌，塑料	熔融石英，锗
平顶光斑形状	任何	圆形，正方形，直线，矩形
效率	> 95％	> 95％
均匀度	通常<5％	通常<10％
平顶光斑尺寸	非常精确	精确
平顶光斑形状	非常精准	准确
平顶光斑质量	与波长无关	与波长成反比
平顶光斑发散全角	与波长成比例	与折射率成正比

表1

光束整形器普遍的规格

材料	熔融石英，硒化锌，硫化锌，锗，硅，塑料
波长范围	193nm至10.6um
DOE设计	2级（二进制）到16级（或灰度）（灰度）
多色设计	连续自由曲面
类型	透射或反射
最小全角	非常小（约为衍射极限尺寸1.5倍对应的角度）
效率	高达99％
DOE尺寸	3 – 150毫米
涂层（可选）	增透膜
定制设计	任何形状

表2

典型的光束整形器的公差表

入射激光波长设计	±2%
X-Y偏心位移	入射激光直径±5%
倾斜	±5%度
入射激光直径	±5%
入射激光椭圆度	5%
工作距离（散焦）	聚焦平顶光斑尺寸<50％