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深圳海納光學有限公司
主營產品： 激光護目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽能模擬器，太赫茲相機，激光測量儀，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
公司信息
平頂光束整形器應用手冊
2020-4-2 閱讀(761)
光束整形器是一種衍射光學元件，產生的平頂光斑常用于激光加工，可以防止特定區域過度曝光或曝光不足，光束整形器的典型應用包括：裁切，燒蝕，打孔，劃線，退火，醫學和美學，顯微鏡和科學，光片細胞計數等。
操作原理
平頂光束整形器應用中經典的設置（圖1）包括激光器，光束整形器元件，聚焦光學元件和待處理的表面。
圖1
每個平頂光束整形器用一組特定的光學系統參數來設計：
1.入射激光波長 2.工作距離（EFL） 3.入射激光光束尺寸（D） 4.輸出光斑尺寸（d）
注意事項與限制
1.為了獲得高質量的平頂光斑性能，入射激光要準直射入，模式應為單模（TEM00）且M2值小于具體規格的要求，一般要求M²＜1.3。如果M²值變大，則產生的平頂光斑的效果變差，這種情況下需要引入光闌、準直系統或空間濾波器對入射激光進行調整。
2.光束路徑中的所有孔徑必須至少比入射激光光束尺寸（1/e2）大2倍（大2.5倍optimal），因為太小的孔徑會在輸出光斑上產生干涉圖樣或波紋。這些孔徑通常包括平面鏡（用于光束折疊或掃描），擴束器，激光分束器和聚焦光學器件。
3.光束路徑中的所有光學器件應具有高質量，即具有低像差水平，以免增加波前誤差并降低平頂光斑性能。
4.在設計所需的輸出平頂光尺寸時，要考慮到“衍射極限（DL）”，“衍射極限（DL）”這個概念非常重要–這是min輸出光斑尺寸的物理光學極限，即如果從系統中刪除了光束整形器，理想的輸出光斑尺寸就是衍射極限光斑的尺寸。根據經驗，光束整形器的輸出平頂光斑尺寸至少為如下公式定義的衍射極限光斑尺寸的1.5倍（對于M 2 = 1）。
衍射極限光斑尺寸的公式：
其中：L為聚焦光學器件的有效焦距，λ為入射激光波長，D為入射激光光束尺寸，M2為入射激光束質量參數。
光束整形器質量因數
一些基本規則：
1.平頂光斑尺寸不可能小于衍射極限光斑尺寸（DL）。
2.光束整形器的尺寸和DL之間的因數決定了光束整形器的質量和效率。較大的因子可以使邊緣更銳利。
3.光束整形器的過渡區不能小于0.5 DL，通常約為1 DL。
圖2為不同DL與相同平頂光斑尺寸的示例。
圖2
通常，應用要求過渡區（能量峰值的13.5-90％）盡可能小，并且平頂光斑輪廓必須具有max的相對平坦尺寸，即均勻區域大小。隨著DL的減小，成型質量提高，從而減少了“浪費”的能量。
因此，質量（Qth）參數定義為平頂光斑尺寸與DL的比值，公式如下：
平頂光斑（TH）光束整形器和穩定平頂光斑（ST）光束整形器類型的比較
Holo / Or使用兩種不同的算法來設計光束整形器，這兩種算法各有其優勢。原始的TH算法比ST算法具有更高的一致性。TH元件僅限于設計直線，矩形，正方形或圓形等基本光斑形狀，ST設計基于計算機輔助的數值優化設計，可以實現任意的光斑形狀和強度分布的輪廓。TH元件具有較大的過渡區，比ST元件的過渡區大兩倍，但散焦性能更好。
圖3是典型TH / ST與等效設計疊加的比較圖-例如，90%相似性的輸出光斑尺寸。
圖3
光束整形器和多色光光束整形器的比較
標準的光束整形器針對特定的波長進行了優化，使用其他波長將影響輸出平頂光斑的性能。如果客戶的應用需要多色光源，則使用多色光光束整形器（ polychromatic beam shaper ）通常是更好的解決方案。多色光光束整形器可在很寬的波長范圍內正常工作，但是產生的平頂光斑尺寸和形狀準確度較低對比標準的光束整形器。
下表是標準光束整形器和多色光光束整形器之間的比較表
類型 標準光束整形器 多色光光束整形器
入射激光波長限制 有 沒有
材料 熔融石英，硒化鋅，塑料 熔融石英，鍺
平頂光斑形狀 任何 圓形，正方形，直線，矩形
效率 > 95％ > 95％
均勻度 通常<5％ 通常<10％
平頂光斑尺寸 非常精確 精確
平頂光斑形狀 非常Precise 準確
平頂光斑質量 與波長無關 與波長成反比
平頂光斑發散全角 與波長成比例 與折射率成正比
表1
光束整形器普遍的規格
材料 熔融石英，硒化鋅，硫化鋅，鍺，硅，塑料
波長范圍 193nm至10.6um
DOE設計 2級（二進制）到16級（或灰度）（灰度）
多色設計 連續自由曲面
類型 透射或反射
min全角 非常小（約為衍射極限尺寸1.5倍對應的角度）
效率 高達99％
DOE尺寸 3 – 150毫米
涂層（可選） 增透膜
定制設計 任何形狀
表2
典型的光束整形器的公差表
入射激光波長設計 ±2%
X-Y偏心位移 入射激光直徑±5%
傾斜 ±5%度
入射激光直徑 ±5%
入射激光橢圓度 5%
工作距離（散焦） 聚焦平頂光斑尺寸<50％
表3
公差對光束整形器的影響
在上述公差表范圍內使用光束整形器將獲得optimal性能。為了說明光束整形器性能對不同公差參數的敏感性，此處包括了一些典型光束整形器的圖形（工作距離WD：120mm，入射激光波長λ：532nm，入射光束尺寸Din：10mm）。
圖4為輸入光束的x軸或y軸偏心位移對輸出光斑的影響
圖4
值得注意的是，在上面的圖4中由于偏心導致的“傾斜”平頂輪廓；即強度從點的一側到另一側的斜率。
圖5為工作距離（散焦）對輸出光斑的影響
圖5
請注意，當工作距離減小（紫色曲線），或者工作距離增加（綠色曲線）時，其行為表現不同。在這兩種情況下，均勻度都會下降，而增加工作距離的情況會在平頂光斑的邊緣出現狹窄的峰（像“狗耳朵”），而縮短工作距離的情況則會使輸出光斑邊緣更圓滑。
圖6為入射激光直徑對輸出光斑的影響
圖6
有趣的是，在圖6中產生了與圖5非常相似的效果。太大的光束直徑和更大的工作距離之間存在明顯的平行關系。“狗耳朵”的效果是相同的。
我們已經發布了在Zemax中建模光束整形器的教程，如有疑問請和我們的技術工程師溝通。
