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衍射光學元件

衍射光學元件

如今,衍射光學元件(DOE)技術已經成為一種成熟并且廣泛應用的技術。衍射光學元件主要有整形器,勻光器和分束器等大緻的三類。其主要是應用于激光材料加工應用,醫美和科學應用與實驗。 上述的這些應用擁有很大的市場,占整個激光市場這塊蛋糕的很大一部分。由于對激光功率和精确度要求不斷的增長,DOE的高激光損傷阈值和精确的優勢使其成為有效解決方案。

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負責人:林工
聯系電話:1369192671 電子郵箱:linzehao@welloptics.cn

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衍射光學元件DOE 用于激光材料加工,醫美

 

衍射光學元件

衍射光學元件(DOE)利用微結構設計來改變其傳播的光的相位。合理的設計光學衍射原件表面的微結構能夠使輸入特定光的時候輸出任何符合設計的光強分布的光。DOE技術實現了傳統光學系統不可行的許多功能和對光操作。

許多應用中,這些技術極大的提高了系統性能。 衍射光學方案擁有許多優勢,例如:高效率,高精度,小尺寸,低重量,最重要的是它靈活的滿足各種不同應用要求。

DOE産品:分束器和光束整形器。

光束分束器DOE用于将單個激光束分成幾個光束,每個光束具有與入射光束相同的特性(除了功率和傳播角度)。根據分束器的衍射圖案,分束器可以産生1維光束陣列(1×N)或2維光束矩陣(M×N)。分束器DOE還可以将入射光束分成有不同的光斑分布,例如圓形,随機圖案,六邊形陣列等。光束分離器需要與單色光(例如激光束)一起使用,不同分束器有特定波長和和特定的輸出光束之間的分離角。

光束整能夠在工作面上将近高斯光束轉換為圓形、矩形,正方形和線形的均勻光束,并且邊緣輪廓(光強分布)。十分的清晰,同時光束整形器能夠實現輸出強度分布均勻,使激光加工時能夠均勻處理表面,防止特定區域的過度曝光或曝光不足。 此外,光斑有陡峭的過渡區域,故而在處理區域和未處理區域之間形成清晰的邊界。光束整形器系列包括均化器,top-hat,渦旋透鏡(螺旋相位闆)和衍射軸錐鏡。

 

DOE的典型應用

随着激光功率的不斷增加,許多集成系統的用戶光學元件可能無法承受高功率激光。 故而,激光誘導損傷阈值(LIDTLDT)的參數成為選擇光學元件時的重要因素。 衍射光學元件的高損傷阈值使其成為高功率工業系統和應用的理想選擇。激光材料加工應用和基于激光的醫療美容(醫美)都需要高功率激光器。

1不同的分束器光斑分布,從左到右:5×5陣列,随機,六邊形陣列,圓形

2不同光束形狀的結果,從左到右:均質器,平頂光,渦旋透鏡和衍射棱鏡

 

衍射光學元件在激光材料加工應用中的應用

最近,用于工業需求的新激光系統的開發已經增加。開發了許多新工藝,許多的傳統加工工藝被激光加工工藝所取代。激光材料加工占整個激光器市場的很大的一部分,DOE在提供适應工藝的激光束成形方面發揮着重要作用。激光束成形和均勻化技術是優化許多激光材料加工應用必不可少的步驟。DOE通常用于激光燒蝕和激光加工系統,激光鑽孔,激光切割和其他加工,以形成表面上的小特征結構。

 

DOE以激光為基礎的美容治療

随着激光技術的使用成為醫美領域中更加不可或缺的工具,控制激光輸出的能力變得越來越重要。DOE提供了一種獨特的解決方案,允許光束以多種方式進行操作,同時保持元件的輕巧。美容治療通常使用高功率激光。要求激光均勻和精确的光線曝光,具有精确的銳利邊緣,同時擁有高效率。這就是使用衍射光學器件進行光束整形的理想解決方案。DOE常用于激光脫毛,激光紋身去除,皮膚修複,皮膚再生等等。

 

衍射光學元件——分束器

分束器的工作原理非常簡單。 根據客戶的系統要求,從準直輸入光束,輸出光束以分離角度從分束器DOE出來,該分離角度在DOE的設計期間确定的并且分離角度非常準确(誤差<0.03mRad)。 光束的分離是為遠場設計的。 因此,随着光束在DOE之後繼續傳播,它們變得更加明确。

 

3分束器DOE,基本設置,EFL =有效焦距,m =多點的階數(點),θs=兩個焦點之間的分離角度,d = 2個焦點之間的距離(間距),θf= 全角,D =光點陣列的長度

4 1×6多點在色散介質中傳播

産生的擁有“零級”的多光斑沒有衍射并且光束遵守反射和折射定律。對于具有奇數個光束的标準分束器,分離角度是階數+1和階數0之間的角度(階數0是期望的光束)。 對于具有偶數個光束的标準分束器,分離角是+1階和-1階之間的角度(零階不是所需的光束)。

 

衍射光學元件——使用DOE光束整形

衍射光束整形器是相位元件,在特定工作距離處其将高斯輸入光束轉換成具有銳邊的均勻光斑。每個光束整形器都僅能在特定光學條件下使用,也即一組獨特的光學系統參數:波長,輸入光束尺寸,工作距離和輸出光斑尺寸。

光束整形器應用中最基本的設置包括激光器,衍射光束整形器元件和待處理的表面。

 

平頂光束整形器

頂帽光束整形器用于将近高斯入射激光束轉換成圓形,矩形,正方形,線形或其他形狀的均勻強度的光斑,在特定的工作平面中具有高質量的銳利邊緣。為獲得高質量的光束整形器性能,激光輸出應為單模(TEM00),M2<1.3

通過光束整形器能夠在待處理的物體表面留下均勻的光斑點,并且在表面上能夠防止特定區域過度曝光或曝光不足。此外,該斑點的特征在于尖銳的過渡區域,其在處理區域和未處理區域之間形成清晰的邊界。頂帽光束整形器具有高效率(通常> 95%),優異的均勻性(通常為±5%),陡峭的過渡區和高激光損傷阈值。此外,頂帽式光束整形器對輸入光束尺寸,工作距離和元件位移敏感。平頂DOE通常用于激光材料加工應用(激光燒蝕,激光切割,激光鑽孔),美學處理(紋身和脫毛),科學應用(流式細胞術)等等。

 

勻化器——光束整形器

光學均化器DOE将單模或多模輸入光束轉換成明确定義的輸出光束,其特征在于具有期望的形狀和均勻的平頂強度。最常見的漫射器得到的形狀是圓形,方形,矩形,橢圓形和六邊形。同時,幾乎可以設計任何形狀的圖像。漫射光束的邊緣通常是陡峭的可确定的。輸入發散角與均化器的擴散角之間的比率确定了過渡區域與輸出光束的均勻化區域的比率。為了達到光束在遠場或焦平面中的強度分布達到理想,DOE勻化器将入射光在一個半随機的方向在半場随機方向上分束。該方法能夠設計出能夠産生任意形狀的元件,在光強均勻的條件下具有精确輸出角度和尺寸。漫射器性能很大程度上取決于入射光束參數,此外,通過使用高M2輸入光束可以實現更高的均勻性(圖7)。均質器光束整形器對光束尺寸,位移和元件傾斜不敏感。它提供高激光損傷阈值,而均勻性和效率随設計而變化。均質器DOE通常用于激光材料加工應用(激光焊接,激光釺焊),美學處理(紋身/脫毛,身體輪廓)等等。

5光束整形器DOE,基本設置,d =成形光斑尺寸,D =光束直徑,EFL =有效焦距。

6頂帽強度分布,左:方形,右:圓形

7均質器性能根據M2變化,左:M2 = 1,右:M2 = 10           8渦旋透鏡DOE階梯相

 

衍射光學元件——螺旋相位片

渦旋透鏡DOE将高斯輸入分布轉換為環形能量環。螺旋相位闆是一種獨特的光學元件,其結構完全由螺旋或螺旋相位組成,其目的是控制透射光束的相位。從“階梯”的頂部到底部的總蝕刻深度是設計波長和基闆的光學指數的函數。一般條件下,該深度與設計波長具有相同的數量級。因此,每個渦旋相闆都是波長特異性的。光學渦旋需要輸入準直的單模(TEM00)高斯輸入光束,并且它将其轉換為TEM01軸對稱模式。

使用更大輸入光束直徑具有兩個明顯的優勢。首先,較大的光束稍微降低了輸出對DOE對準公差的靈敏度。其次,較大的輸入光束直徑将能夠産生較小的渦流點,這在許多應用中通常是期望的結果。渦旋透鏡具有高效率(通常> 90%)和較低的損傷阈值。它具有元件位移和旋轉的靈敏度。渦旋透鏡DOE通常用于材料加工應用(焊接),光學通信(光學模式轉換和生成),科學應用(STED顯微鏡,光學鑷子)等等。

 

總結:

近年來,衍射光學元件已經成為一種成熟并且廣泛應用的技術。DOE技術主要應用于光束整形和分束等。其主要是應用于激光材料加工應用,醫美和科學應用等領域, 并且擁有很大的市場,占整個激光應用市場很大一部分。由于對激光功率不斷提高以及對精确度要求不斷的嚴格,DOE的高激光損傷阈值和高精确的特點使其成為解決激光應用問題的有效方案。

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