海納光學——專業光電代理商,衍射光學元件,微透鏡,離軸抛物面鏡,激光防護眼鏡,太赫茲元件,太陽能模拟器
English購物車網站地圖
服務熱線:0755-84870203
中文English
服務熱線:0755-84870203
您當前的位置:首頁 > 技術中心 > 技術文檔

超快激光配合(DOE)使用時需要注意的問題

作者: 時間:2009-08-06


随着超短脈沖激光器(也被稱為超快激光)在工業應用中越來越普遍,衆多加工領域中納秒脈沖激光器被更快速的飛秒超快激光器件所取代。衍射光學元件往往是針對單一波長設計的,而超快激光一般都具有一定的光譜寬度,可能是10nm甚至更長,這就使得使用衍射光學元件的波束成形應用變得更具挑戰性。

 


DOE基本原理

       對于許多應用來說,可以使用傳統的反射或折射光學元件來産生獨特的光學功能,而衍射光學元件DOE提供了系統配置方面的靈活性。和折射元件相比,DOE的優點包括體積小,單個元件的多功能性,高角度精度,低厚度,和較少的時間色散。

DOE的操作原理是相當簡單的: 對于一個準直的輸入光束,通過DOE後,光束按照預先設計的分離角度和強度輸出。在一般情況下,輸出激光束聚焦于設計的工作距離,得到特定的光斑形狀和尺寸。目前DOE常見的應用包括醫療儀器、計量學和科學/研究應用,特别是激光光束整形、分束和勻化技術對材料加工來說是必不可少的。

雖然DOE能夠實現多種功能并且具有很好的穩定性,但它們的性能強烈地依賴于光的波長。在使用超快激光器時,這引起了人們的擔憂,因為它們的短脈沖持續時間可能會有不同尋常的光譜特性。由于實際使用波長和設計波長不同,超脈沖的寬光譜範圍可以影響輸出光束的參數。這使得我們有必要預測在使用一個波長範圍而不是單一波長時,預先知道輸出光斑的形狀和如何變化的。

根據傅裡葉理論,時域的脈沖持續時間越短,頻率域的光譜寬度就越大。這導緻超快脈沖激光顯示時間色度色散效應。以800納米的高斯脈沖為例,典型1000fs的脈沖展寬為Δλ= 1 nm,而100fs的脈沖光譜将展寬為Δλ= 10 nm

 

海納光學采用專用的DOE光學模拟工具,研究了超脈沖激光器對DOE功能的影響。我們的光學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衆多DOE元件。模拟結果顯示,雖然對大多數光束整形器,飛秒激光的光譜展寬的影響可以忽略不計,但部分基于光栅的DOE還是受到了明顯的影響,例如高角度光束分束器可以看到顯著的和不受歡迎的額外彩色效果。

 

常用的DOE元件類型

最常用的兩種類型的DOE 産品是光束整形鏡和激光分束鏡。激光分束器是用來把單一波長(頻率)的光源分裂成幾束不同的波長(頻率)和發射角度的激光。激光分束器分可以産生一維的光束陣列 (1 x N)或二維的光束矩陣 (M x N), 這取決于衍射元件表面上的微結構。激光分束器通常被用于對單一波長的光源, 也被設計用于在輸出光束間的特定波長和分離角度。

光束整形器用于将近高斯入射的激光光束,轉換為邊沿銳利,能量強度均勻的光斑,形狀可為圓形、矩形、正方形、線或其他形狀。利用其能量分布均勻的特點,用戶可以進行表面均勻的處理,防止在工件上暴露過度或曝光不足。此外,加工區域和非加工局域有一個明顯的分界線,在處理的和未處理的區域之間建立了一個清晰的邊界。光束形狀器包括均質器、勻化器、平頂整形、螺旋型相片和衍射軸錐鏡。

       激光分束器和光束整形器可以與多模式(MM)或單模(SM)輸入光束一起使用,可以用于高功率激光系統,因為它們都是用高損傷阈值的材料制造的,例如熔融石英、鋅硒化物(ZnSe)和藍寶石。

 

 

超短脈沖激光/超快激光 對DOE的影響理論

       對于周期的、光栅式結構的DOE,輸入飛秒的超短脈沖激光時,可以觀察到許多不同的現象,包括輸出不是圓形的斑點形狀,光斑橢圓化,光斑尺寸增加,以及零階衍射更加顯著。

分束DOE名義是對某一波長λ1設計和制造。它的相位在空間中被複制,形成一個周期性的光栅結構。當使用一個不同的波長λ2,根據光栅衍射角的變化方程。

       對于小衍射角θ(< 12°),衍射角和相應的波長之間的關系被定義為:

Δd =ƒ·(θλ1 -θλ2)=ƒ·θλ1·(1 -λ1 /λ2)

       這裡Δd取決于λ1,λ2中心的偏差,ƒ使用透鏡的焦距,和θλi是波長的衍射角。每個波長将有不同的衍射角度,對應點移動到一個稍微不同的位置。如果中心偏差的大小與焦平面上的點大小相似,則點為橢圓。

由于脈沖光譜的每一個波長都有一個稍微不同的衍射角,所以這個橢圓度在更寬的波長範圍内(或更短的脈沖持續時間)會更強。

       我們還知道,DOE零階衍射是波長依賴的,這意味着它會在使用非标稱波長時增加。因此,在使用超脈沖時,我們可以期望看到一個明顯的零階(中心強點)。

       利用工具仿真,我們研究了超脈沖對各種類型的影響。對于每一個DOE,都準備了一個光學裝置,包括一個高斯源(有一個波長或一個波長光譜)DOE、消色差聚焦透鏡和一個虛拟屏幕,以查看位于焦點平面上的結果。然後利用經典的射線追蹤傳播——一個遠場物理光學傳播工具,對光進行傳播。為了演示目的,選擇不同的輸入光束直徑來強調可能的結果。

 

超快激光對螺旋相位片的影響(Vortex, Spiral Phase Plate

       渦旋DOE也被稱為螺旋相位片,螺旋相位闆,它将輸入的高斯激光的信息轉換成環形或方形的能量環。渦旋透鏡的典型應用包括光誘捕、量子光學和高分辨率顯微鏡。

       螺旋相位片是一種獨特的光學元件,其結構完全由螺旋或螺旋相組成,目的是控制傳輸光束的相位。其拓撲荷數,在文獻中表示為m,指的是2π的相位變化循環次數。

       對于m = 1的螺旋相位片,模拟結果顯示超快激光的影響很小,不管輸入是一個高斯脈沖或100 fs超快脈沖(見圖1)。由于旋轉對稱的原因,沿着環形點強度分布幾乎不可能發現任何變化的光斑大小。換句話說,這些變化不會發生在方位平面上,而是在徑向平面上,而這些變化與位置的形成無關。此外,由于這不是一個周期結構,因此,不會受到諸如橢圓或零序之類的影響。

 

飛秒激光對衍射軸錐鏡影響 Axicon

       衍射軸錐鏡是利用一個軸突将激光束轉換成環形形狀(近場的貝塞爾強度剖面)。它還将點源圖像沿光學軸向線,增加焦距的深度。由于其獨特的特性,在許多應用中都使用了衍射軸錐鏡,例如原子陷阱、望遠鏡和激光鑽井。飛秒激光對衍射軸錐鏡會有什麼影響呢?下圖是我們的模拟結果,飛秒激光和普通高斯光的差别非常細微。因為衍射軸錐鏡的旋轉對稱性類似于螺旋相位片,所以不易受到飛秒激光較寬光譜的影響。

超快激光對光束整形器的影響 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轉換成圓形、矩形、正方形、直線或其他形狀的均勻強度(平坦)的光斑。典型應用主要是激光材料加工,包括激光燒蝕、焊接和激光顯示器、卷煙過濾器、醫用和美學激光應用。

       對于高質量的光束整形器,要求入射光斑應該是單模(TEM00)M2值小于1.3。飛秒激光導緻的輸出平頂光斑的變化見下圖。這種變化是為了與光譜範圍的變化保持一緻,這意味着變化隻在邊緣的地方(我們稱之為DOE過渡區)的地區轉移,而中心的平頂光斑能量分布無明顯變化。

 

超快激光對激光分束器的影響 Beam Splitter

       激光分束器可以應用到許多應用場合,例如光刻、穿孔、精細切割、标記和其他材料處理應用,目前常用的激光分束鏡有1×2M×N

 

模拟時我們按照1×23×3分束器模拟,左圖是普通的高斯激光,中圖是100fs激光,右圖是5fs的超快激光。可以看到100fs的激光入射時,分束鏡還具有較好的性能,但5fs激光入射時,分束器則有明顯的0級出現,本該是圓形的光斑也嚴重地橢圓化。

因為這是一個周期衍射光栅結構,每個波長衍射光栅方程:

dsin =(θm)= m·λ

d是光栅條紋之間的間距,θm是波長的衍射角,λ是波長,m是衍射級次。在使用有具有不同波長的超快激光器時,每個波長将擁有不同的衍射角度,因此将在不同的位置形成。因此,可以預計輸出光斑将變成橢圓形而不是對稱的圓形。

超快激光造成的另一種壞結果是零階衍射的增加,正如之前所讨論的,0級衍射是波長依賴的。在設計一個不同波長的DOE時,我們可以期望在這個模式下觀察到零階。這種效應對于偶數個點來說更為重要,在這種情況下,原本并沒有零級衍射。

 

總結

綜上所述,超快脈沖激光輸入對大多數類型的DOE幾乎沒有影響,除非脈沖非常短(幾飛秒)。然而,超脈沖激光器的光束質量也必須考慮在内,對于多模激光(MM),M2參數高于單模激光器(SM),降低了波束的光束質量,掩蓋了高角分光器的橢圓化效應。此外,入射光束直徑對輸出光斑的大小和分離角度也會有影響。

 

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

友情鍊接 : 維爾克斯光電 新浪博客 阿裡巴巴旺鋪 網易博客 維爾克斯光電博客 海納光學博客博客 環保在線 八方資源 谷瀑環保 中國制造網 蓋德化工廠 黃頁88 中科商務網 中國供應商 來寶網

版權所有:深圳海納光學有限公司 地址:深圳市龍崗區平湖街道華南城一号交易廣場五樓C
電話:0755-84870203 郵箱:sales@dnsn27j.top

http://81fq.dnsn27j.top| http://95901.dnsn27j.top| http://vbo6m5ay.dnsn27j.top| http://swzw31.dnsn27j.top| http://f2c26.dnsn27j.top|