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平頂光束整形器的應用手冊

作者: 時間:2009-12-27


随着半導體、OLED、太陽能電池等産業推動的高端激光加工設備的發展,越來越多的設備廠商都要求把激光束聚焦為強度、能量平均分布的平頂激光光斑(Top hat)。平頂光斑的特點是頂部能量均勻,邊界非常銳利,即“過渡區”短、光斑上激光能量90%10%的陡峭曲線能産生明顯的激光邊界,清晰的區分了激光處理區域和未經處理的區域。

因此平頂光十分适合用于各類激光加工應用,達到高效且高精度的要求。但若在光束整形器獲得平頂光的過程中,操作不當或設計參數未考慮周全,會導緻平頂光加工效果大大降低。因此,請用戶需了解平頂光束整形器注意事項,閱讀光束整形器應用手冊。

 

Holoor光束整形器有4個主要影響平頂光效果的因素

1.波長,其平頂光的優化效果,通常隻針對單一波長或一定範圍内的波長

2.輸入光束尺寸誤差-Din,(太大兩邊會拉高,光束直徑太小兩邊會降低)

3.輸入光束是否完全準直(不準直會産生強度從高到低“傾斜”效應)

4.工作距離-WD,工作距離是否偏離聚焦平面(平頂光斑的一緻性在這兩種情況下都會下降)

 

光束整形器的主要應用:

激光燒蝕 ,激光焊接,激光鑽孔,激光打孔,激光劃片

Filters for cigarettes

激光醫學、美學激光(景觀)和娛樂激光

激光顯示,激光電視

 

平頂光束整形器的工作原理:

激光光束整形器的大緻的構架分為折射/衍射元件(折衍混合元件)、入射激光以及待處理表面三個不分離。光束整形器是一個相位型的DOE(衍射光學元件),它的作用是将入射的高斯光在一定的工作距離下轉換成具有陡峭邊緣的平頂光束。


 

光束整形器的設計要點

光束整形後的效果跟入射光的光束質量(M2)有很大的關系,通常選擇單模激光輸出(TEM00),它的M2<1.3,可以獲得很好的平頂光效果。如果M2太大,可以在使用DOE元件前,插入空間濾波器(spatial filter)降低入射光的M2值。


如上圖所示,空間濾波器(spatial filter)的結構主要由準直透鏡、聚焦透鏡和焦平面的小孔組成。需要注意的是平面的的孔徑要小但不能過小(其孔徑必須大于2倍光束直徑 (1/e^2),最好達到2.5倍),因為過小的孔徑會在輸出面上産生波紋或寄生幹涉圖樣。通過調整這兩個鏡頭的焦距,空間濾波器還可以用作光束擴展器。

 

設計平頂光束整形器還要熟悉衍射極限,衍射極限的公式:

L:工作距離           λ:波長           D:輸入光束直徑的大小              M2:輸入激光的M2

 

如果用戶希望獲得更小的平頂光斑,需要首先對激光進行擴束準直,因為大光斑對應更小的衍射極限,激光整形元件能夠獲得的最小光斑是衍射極限的1.5倍。因而大的入射光束直徑可以獲得更小的光斑,同時對平頂光斑的糾錯能力也有提升。

光束整形器需要準直的入射光束,為了得到穩定的平頂效果,一般是将元件放置在激光的束腰處,即便其有一定的發散角(小于1°),其平頂效果依然明顯。在使用過程中,如果DOE放置在距離束腰有一定的距離,則必須考慮入射光束的光斑大小和發散角,以得到入射到元件上的光斑大小,這樣的結果雖然也能達到平頂效果,但是其平頂光斑位置會發生改變。總之,精準的入射光控制更有利于達到預定的設計效果。

特性:

            平頂光具有尖銳的過渡區,均勻性好,邊界分明

            95%的高衍射效率,高能量阈值,适合大功率激光器

            x - y位移靈敏度: 容錯率5%的輸入光束, 超過效果會變差

            對輸入光束直徑容錯率5%之内

            工作距離靈敏度:小于50%的光斑大小,超過效果會變差

平頂光斑大小與衍射極限的關系

基本規則:

衍射極限一定大于平頂光斑的大小

平頂光斑大小和衍射極限的比例決定光束整形的質量和衍射效率。比例越大邊緣越銳利,效果越好。

光束整形器的透射區域不能<0.5倍衍射極限,一般為約1倍衍射極限

同樣的光斑尺寸,不同的于衍射極限的比例:

典型的應用會選擇傳輸區域(13.5%-90%)盡可能小,平頂光斑會選擇較大的均勻區域。

對準和光學參數誤差:

激光系統的每個光學參數都直接影響光束整形器的效果,當設計光學部件時,應該照顧好包括衍DOE射光學元件在内的每個參數,以确保這些系統參數的控制和穩定。

大的入射光束直徑可以獲得更小的光斑,同時對平頂光斑的糾錯能力也有提升。因此,可以通過擴大輸入光束直徑來增加尺寸上的容錯率。例如,對于10mm的輸入光束直徑,容錯率為5%0.5mm,而對2mm的光束直徑, 容錯率5%,對應的就隻有0.1mm

模拟實驗——參數誤差對光束整形器輪廓的影響

要想獲得與設計性能完全一緻的效果,激光系統所有對應的光學參數需全部對準符合。即光束整形器位于設定的位置,入射光為準直光束,x軸和y軸完全對準。為了說明不同誤差參數對光束整形器的影響性,下圖給出了一些變化規律(WD:120mmλ:120 nmDin:10mm)

4:輸入光束x軸或y軸是否對準對DOE中心光束整形效果的影響


入射光束不是完全準直時會發生“傾斜”效應,即強度從高到低的斜坡。

5:工作距離偏離焦平面時的光束整形效果

* *注意上面光束整形曲線的不同行為,當位于太近時為紅色曲線,太遠時為綠色曲線。平頂光斑的一緻性在這兩種情況下都會下降。

6:輸入光束尺寸誤差對平頂光斑的影響


 

普通平頂光斑(Top Hat)與穩态平頂光斑(Stable Top Hat)

Holoor提供平頂光斑(Top Hat)和穩态平頂光斑(Stable Top Hat) 兩種不同算法。普通平頂光斑的尺寸大小是衍射極限的5倍。而穩态平頂光斑可獲得的最小激光光斑尺寸為衍射極限的1.5倍,且擁有比普通平頂光斑更好的均勻性。

下圖為兩種算法的等效疊加——即與光斑大小相同,可以看出Holoor獨家專利的穩态平頂光束整形技術具有更陡峭的邊緣。


對比光束整形器和多波長光束整形器

标準的光束整形器是隻針對某一個指定的波長進行優化,當優化其他波長時,平頂光效果會大打折扣。針對一些需要應用多個波長的客戶,我們提供新的解決方案——多波長光束整形器。其能夠把一定波長範圍内的光斑都優化成平頂光,用低成本獲得多個光束整形器才能實現的功能,但多波長光束整形器對于光斑大小和形狀控制精确性稍差。

優勢對比:

類型

标準光束整形器

多波長光束整形器

波長

單一波長

多波長

材料

熔融石英,ZnSe,塑料

熔融石英、光學玻璃

平頂光斑的形狀

任何

圓形,正方形,長方形,

效率

> 95%

> 95%

均勻性

一般< 5%

一般< 10%

平頂光斑的大小

非常精确

精确

平頂光斑的形狀

非常準确

準确

平頂光斑質量(在單位的衍射限制數量)

取決于波長

與波長成正比

平頂光發散角

與波長成正比

折光率成正比

 

光束整形器的MATLAB設計工具

Holoor提供免費的光束整形器的MATLAB設計工具。用戶可以自由選擇波長, 光斑大小,工作距離和輸入直徑等參數,軟件還提供一個快速設計模拟報價單的鍊接。

 

産品導航 : 光束整形器分束器多焦點DOE螺旋相位片多合一螺旋相位片随機點陣DOE20um線激光模組 微透鏡陣列工程散射片皮秒半導體激光器光斑分析儀位敏探測器自準直儀光束質量分析儀激光波長計太赫茲源太赫茲相機離軸抛物面鏡太赫茲波片太赫茲偏振片太赫茲衰減片太赫茲透鏡Chroma濾光片消色差波片激光防護眼鏡Zaber電控平移台UPD超快光電探測器太陽能模拟器

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