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超快激光配合(DOE)使用时需要注意的问题

作者: 时间:2009-08-06


随着超短脉冲激光器(也被称为超快激光)在工业应用中越来越普遍,众多加工领域中纳秒脉冲激光器被更快速的飞秒超快激光器件所取代。衍射光学元件往往是针对单一波长设计的,而超快激光一般都具有一定的光谱宽度,可能是10nm甚至更长,这就使得使用衍射光学元件的波束成形应用变得更具挑战性。

 


DOE基本原理

       对于许多应用来说,可以使用传统的反射或折射光学元件来产生独特的光学功能,而衍射光学元件DOE提供了系统配置方面的灵活性。和折射元件相比,DOE的优点包括体积小,单个元件的多功能性,高角度精度,低厚度,和较少的时间色散。

DOE的操作原理是相当简单的: 对于一个准直的输入光束,通过DOE后,光束按照预先设计的分离角度和强度输出。在一般情况下,输出激光束聚焦于设计的工作距离,得到特定的光斑形状和尺寸。目前DOE常见的应用包括医疗仪器、计量学和科学/研究应用,特别是激光光束整形、分束和匀化技术对材料加工来说是必不可少的。

虽然DOE能够实现多种功能并且具有很好的稳定性,但它们的性能强烈地依赖于光的波长。在使用超快激光器时,这引起了人们的担忧,因为它们的短脉冲持续时间可能会有不同寻常的光谱特性。由于实际使用波长和设计波长不同,超脉冲的宽光谱范围可以影响输出光束的参数。这使得我们有必要预测在使用一个波长范围而不是单一波长时,预先知道输出光斑的形状和如何变化的。

根据傅里叶理论,时域的脉冲持续时间越短,频率域的光谱宽度就越大。这导致超快脉冲激光显示时间色度色散效应。以800纳米的高斯脉冲为例,典型1000fs的脉冲展宽为Δλ= 1 nm,而100fs的脉冲光谱将展宽为Δλ= 10 nm

 

海纳光学采用专用的DOE光学模拟工具,研究了超脉冲激光器对DOE功能的影响。我们的光学模拟工具可以很好地仿真包括激光分束器和光束整形器的众多DOE元件。模拟结果显示,虽然对大多数光束整形器,飞秒激光的光谱展宽的影响可以忽略不计,但部分基于光栅的DOE还是受到了明显的影响,例如高角度光束分束器可以看到显著的和不受欢迎的额外彩色效果。

 

常用的DOE元件类型

最常用的两种类型的DOE 产品是光束整形镜和激光分束镜。激光分束器是用来把单一波长(频率)的光源分裂成几束不同的波长(频率)和发射角度的激光。激光分束器分可以产生一维的光束阵列 (1 x N)或二维的光束矩阵 (M x N), 这取决于衍射元件表面上的微结构。激光分束器通常被用于对单一波长的光源, 也被设计用于在输出光束间的特定波长和分离角度。

光束整形器用于将近高斯入射的激光光束,转换为边沿锐利,能量强度均匀的光斑,形状可为圆形、矩形、正方形、线或其他形状。利用其能量分布均匀的特点,用户可以进行表面均匀的处理,防止在工件上暴露过度或曝光不足。此外,加工区域和非加工局域有一个明显的分界线,在处理的和未处理的区域之间建立了一个清晰的边界。光束形状器包括均质器、匀化器、平顶整形、螺旋型相片和衍射轴锥镜。

       激光分束器和光束整形器可以与多模式(MM)或单模(SM)输入光束一起使用,可以用于高功率激光系统,因为它们都是用高损伤阈值的材料制造的,例如熔融石英、锌硒化物(ZnSe)和蓝宝石。

 

 

超短脉冲激光/超快激光 对DOE的影响理论

       对于周期的、光栅式结构的DOE,输入飞秒的超短脉冲激光时,可以观察到许多不同的现象,包括输出不是圆形的斑点形状,光斑椭圆化,光斑尺寸增加,以及零阶衍射更加显著。

分束DOE名义是对某一波长λ1设计和制造。它的相位在空间中被复制,形成一个周期性的光栅结构。当使用一个不同的波长λ2,根据光栅衍射角的变化方程。

       对于小衍射角θ(< 12°),衍射角和相应的波长之间的关系被定义为:

Δd =ƒ·(θλ1 -θλ2)=ƒ·θλ1·(1 -λ1 /λ2)

       这里Δd取决于λ1,λ2中心的偏差,ƒ使用透镜的焦距,和θλi是波长的衍射角。每个波长将有不同的衍射角度,对应点移动到一个稍微不同的位置。如果中心偏差的大小与焦平面上的点大小相似,则点为椭圆。

由于脉冲光谱的每一个波长都有一个稍微不同的衍射角,所以这个椭圆度在更宽的波长范围内(或更短的脉冲持续时间)会更强。

       我们还知道,DOE零阶衍射是波长依赖的,这意味着它会在使用非标称波长时增加。因此,在使用超脉冲时,我们可以期望看到一个明显的零阶(中心强点)。

       利用工具仿真,我们研究了超脉冲对各种类型的影响。对于每一个DOE,都准备了一个光学装置,包括一个高斯源(有一个波长或一个波长光谱)DOE、消色差聚焦透镜和一个虚拟屏幕,以查看位于焦点平面上的结果。然后利用经典的射线追踪传播——一个远场物理光学传播工具,对光进行传播。为了演示目的,选择不同的输入光束直径来强调可能的结果。

 

超快激光对螺旋相位片的影响(Vortex, Spiral Phase Plate

       涡旋DOE也被称为螺旋相位片,螺旋相位板,它将输入的高斯激光的信息转换成环形或方形的能量环。涡旋透镜的典型应用包括光诱捕、量子光学和高分辨率显微镜。

       螺旋相位片是一种独特的光学元件,其结构完全由螺旋或螺旋相组成,目的是控制传输光束的相位。其拓扑荷数,在文献中表示为m,指的是2π的相位变化循环次数。

       对于m = 1的螺旋相位片,模拟结果显示超快激光的影响很小,不管输入是一个高斯脉冲或100 fs超快脉冲(见图1)。由于旋转对称的原因,沿着环形点强度分布几乎不可能发现任何变化的光斑大小。换句话说,这些变化不会发生在方位平面上,而是在径向平面上,而这些变化与位置的形成无关。此外,由于这不是一个周期结构,因此,不会受到诸如椭圆或零序之类的影响。

 

飞秒激光对衍射轴锥镜影响 Axicon

       衍射轴锥镜是利用一个轴突将激光束转换成环形形状(近场的贝塞尔强度剖面)。它还将点源图像沿光学轴向线,增加焦距的深度。由于其独特的特性,在许多应用中都使用了衍射轴锥镜,例如原子陷阱、望远镜和激光钻井。飞秒激光对衍射轴锥镜会有什么影响呢?下图是我们的模拟结果,飞秒激光和普通高斯光的差别非常细微。因为衍射轴锥镜的旋转对称性类似于螺旋相位片,所以不易受到飞秒激光较宽光谱的影响。

超快激光对光束整形器的影响 Beam shaper

       光束整形器的作用是在某一特定工作平面内,将近高斯入射激光束转换成圆形、矩形、正方形、直线或其他形状的均匀强度(平坦)的光斑。典型应用主要是激光材料加工,包括激光烧蚀、焊接和激光显示器、卷烟过滤器、医用和美学激光应用。

       对于高质量的光束整形器,要求入射光斑应该是单模(TEM00)M2值小于1.3。飞秒激光导致的输出平顶光斑的变化见下图。这种变化是为了与光谱范围的变化保持一致,这意味着变化只在边缘的地方(我们称之为DOE过渡区)的地区转移,而中心的平顶光斑能量分布无明显变化。

 

超快激光对激光分束器的影响 Beam Splitter

       激光分束器可以应用到许多应用场合,例如光刻、穿孔、精细切割、标记和其他材料处理应用,目前常用的激光分束镜有1×2M×N

 

模拟时我们按照1×23×3分束器模拟,左图是普通的高斯激光,中图是100fs激光,右图是5fs的超快激光。可以看到100fs的激光入射时,分束镜还具有较好的性能,但5fs激光入射时,分束器则有明显的0级出现,本该是圆形的光斑也严重地椭圆化。

因为这是一个周期衍射光栅结构,每个波长衍射光栅方程:

dsin =(θm)= m·λ

d是光栅条纹之间的间距,θm是波长的衍射角,λ是波长,m是衍射级次。在使用有具有不同波长的超快激光器时,每个波长将拥有不同的衍射角度,因此将在不同的位置形成。因此,可以预计输出光斑将变成椭圆形而不是对称的圆形。

超快激光造成的另一种坏结果是零阶衍射的增加,正如之前所讨论的,0级衍射是波长依赖的。在设计一个不同波长的DOE时,我们可以期望在这个模式下观察到零阶。这种效应对于偶数个点来说更为重要,在这种情况下,原本并没有零级衍射。

 

总结

综上所述,超快脉冲激光输入对大多数类型的DOE几乎没有影响,除非脉冲非常短(几飞秒)。然而,超脉冲激光器的光束质量也必须考虑在内,对于多模激光(MM),M2参数高于单模激光器(SM),降低了波束的光束质量,掩盖了高角分光器的椭圆化效应。此外,入射光束直径对输出光斑的大小和分离角度也会有影响。

 

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