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深圳海納光學(xué)有限公司
主營產(chǎn)品： 激光護(hù)目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學(xué)元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽能模擬器，太赫茲相機(jī)，激光測量儀，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
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勻光片應(yīng)用手冊(cè)
2020-4-13 閱讀(3159)
深圳海納光學(xué)有限公司專業(yè)代理勻光片，勻化片又稱作勻化鏡、擴(kuò)散器或勻化器（DF/HM），將單模或多模入射激光轉(zhuǎn)化成任意形狀的均勻光斑，光斑的形狀、尺寸和強(qiáng)度分布都可以根據(jù)客戶的需求訂制。勻光片的常用應(yīng)用領(lǐng)域有：激光均化，激光材料加工如激光劃線和焊接，美容激光治療，準(zhǔn)分子激光器的光束成形等。
勻光片在半隨機(jī)方向上分裂入射光束，以便在遠(yuǎn)場或焦平面上獲得所需要的強(qiáng)度分布形狀。這種方法可以設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生精確發(fā)散角度和任意的輸出光斑尺寸和形狀以及強(qiáng)度分布的元件。勻光片產(chǎn)生的光斑的性能在很大程度上取決于入射光束參數(shù)。通常，可以用入射激光質(zhì)量M²來區(qū)分：
•M²＜~5的高相干光束（和準(zhǔn)單模入射激光束）
•多模入射激光束（M²＞5）
對(duì)于單模入射激光，可以通過光束整形器（beam shaper）的設(shè)計(jì)，其輸出的平頂光斑（top hat/TH）在強(qiáng)度分布，均勻性，效率和過渡區(qū)等方面能獲得較佳結(jié)果。當(dāng)使用定義更復(fù)雜的入射光束（較高的M²值）時(shí)，這種入射光束的強(qiáng)度任意分布而不是近乎完美的高斯光，勻光片將成為First choice方案。
除了一些基本的規(guī)則形狀（如圓形，正方形，矩形等），我們還可以設(shè)計(jì)任意形狀如下圖所示的不規(guī)則形狀：
操作原理和注意事項(xiàng)
1. 選擇或設(shè)計(jì)勻光片所需要的lowest要求參數(shù)：
•入射激光波長
•輸出光斑形狀和強(qiáng)度分布（平頂光斑或定制）
•輸出光斑的發(fā)散全角或光斑尺寸大小或工作距離EFL
•入射激光光束質(zhì)量M²
2. 普通的勻光片元件在DOE窗口上制造，由于勻光片限制了一定的發(fā)散角，因此客戶可以通過選擇合適焦距的聚焦透鏡來控制光斑平面上的光斑尺寸。典型的勻光片系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：激光發(fā)射器，勻光片DOE和聚焦透鏡，如下圖所示：
3. 可以從幾何角度輕松計(jì)算勻光片的光學(xué)參數(shù)，公式如下：
其中D為光斑尺寸，EFL為工作距離，θf為發(fā)散全角。
4. Holo / Or可以將DOE窗口和特定的聚焦透鏡組合到一個(gè)混合元件中來設(shè)計(jì)集成解決方案。 衍射圖案將被蝕刻在聚焦透鏡（平凸透鏡）的平面上。 該解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括更小的光學(xué)表面，緊湊的尺寸和較低的重量。
5. Min發(fā)散角大約等于衍射極限光斑直徑的5-10倍。 另外，較大的角度比（達(dá)到一定水平）將提高性能質(zhì)量。 1 / e2處的衍射極限光斑直徑的公式（DLspotsize）如下：
其中L為工作距離，λ為入射激光波長，D為入射光束直徑，M²為入射光束質(zhì)量。
6. 平頂光斑的邊緣通常比較銳利并且輪廓分明，入射光束的發(fā)散全角和輸出光斑的發(fā)散全角的比值決定了輸出光斑過渡區(qū)和輸出光斑均勻區(qū)的比值。
7. 建議將入射光束直徑（1/e²）保持在通光孔徑的67%一下，以保持良好的功率傳輸效率。這將確保99％的能量通過量并以高斯強(qiáng)度分布。
8. 更高的入射激光質(zhì)量M²，可以提高輸出光斑的均勻性。
勻光片（入射激光為單模光束和多模光束）
在使用高斯入射激光的情況下，勻光片的復(fù)雜混亂的震蕩或散斑的強(qiáng)度分布曲線是由于激光的干涉引起的。盡管如此，許多計(jì)量學(xué)應(yīng)用還是從這種散斑的圖片中受益。對(duì)于材料加工應(yīng)用，能量的熱分布比點(diǎn)強(qiáng)度值更重要，在許多應(yīng)用中（但不是全部應(yīng)用），具有自然的平滑效果，可消除大多數(shù)波動(dòng)跡象。
不同入射光束質(zhì)量（M²值）對(duì)輸出光斑形狀的影響：
1. 光斑形狀邊緣變寬
2. 散斑減少，強(qiáng)度分布變得更均勻
可以看出，M²值較小的情況下，零階光斑集中在一個(gè)較小的區(qū)域，因此對(duì)比其他區(qū)域，零階光斑顯得更突出。
規(guī)格書
材料 熔融石英，藍(lán)寶石，ZnSe，塑料
入射激光波長范圍 193nm~10600nm
DOE設(shè)計(jì) 二進(jìn)制（2級(jí)）和16級(jí)
衍射效率 75%~98%
元件大小 2mm~100mm
涂層（可選） 增透膜
定制設(shè)計(jì) 量身定做的光斑形狀和強(qiáng)度分布
輸出光斑發(fā)散角度 幾毫弧度到716毫弧度
高均勻度勻光片（RH/HH/XH）
高均勻度勻光片（均勻度可以定義為單位面積的平均強(qiáng)度），是一類新的具有增強(qiáng)性能的勻光片，其優(yōu)點(diǎn)是具有更高的均勻性和更低的零階光斑強(qiáng)度，因此非常符合較低M²值的入射光束，適用于不能用于平頂光束整形器的應(yīng)用。DOE的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)衍射面，the first個(gè)衍射面降低入射光束的相干性，第二個(gè)衍射面使光束表面成型。
HH與HM的對(duì)比表格：
參數(shù) HH對(duì)比HM
同質(zhì)性 更好
效率 差一點(diǎn)
零階光斑強(qiáng)度 大大減少
過渡區(qū) 更大
HH與MH的輸出光斑對(duì)比表格：
勻光片應(yīng)用舉例
下圖的光學(xué)裝置顯示了耦合到MM光纖的激光，當(dāng)與聚焦透鏡一起使用時(shí)，可以在遠(yuǎn)場或焦平面中實(shí)現(xiàn)均勻的強(qiáng)度分布。從激光器射出的光纖模數(shù)與光纖長度和纖芯直徑成正比。 光纖輸出的每種模式都會(huì)通過勻光片傳播，從而在焦平面上產(chǎn)生干涉圖樣。 但是，與單模光束相反，多模包含多種這些模式。 每種模式都將創(chuàng)建不同的圖樣彼此重疊。 在焦平面上，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平均良好的輸出光斑。該設(shè)置不需要激光束參數(shù)的任何特定屬性。
勻化器安裝/敏感度的機(jī)械公差
勻光片可以非常容易地安裝在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部。
公差表格：
參數(shù) 影響 備注
Z偏移（沿光軸） 不敏感 只要全部衍射光線都進(jìn)入聚焦元件
X，Y偏移 不敏感
Z傾斜度 不敏感 輸出形狀旋轉(zhuǎn)
X，Y傾斜度 零階略有增加
入射光束尺寸 不敏感 必須大于規(guī)范定義中的Minimum value
偏振 無效果
常見問題
問：平頂光光束整形器和勻光片有什么區(qū)別？
答：TH與HM的對(duì)比表格：
參數(shù) 平頂光DOE 勻光片DOE
準(zhǔn)直入射激光 M²值＜1.3 任何M²值
輸出光斑形狀 任何形狀 任何形狀
輸出光斑精確度 好
均勻度 很好 取決于入射激光光束M²值，M²值越大輸出光斑越均勻
邊緣陡度（過渡區(qū)） ≤衍射極限光斑直徑 取決于入射激光光束M²值，M²值越大陡度越小
問：如果使用其他激光波長（非勻光片規(guī)格的波長）會(huì)怎么樣？
答：1.每個(gè)勻光片元件都是按照特定波長所制造的。在特定的入射激光波長情況下，給定的擴(kuò)散角所對(duì)應(yīng)的衍射蝕刻圖案對(duì)應(yīng)的。因此，與規(guī)格不同入射激光波長的情況下，使用勻光片會(huì)產(chǎn)生新的擴(kuò)散角以及輸出光斑尺寸大小，實(shí)際輸出光斑的參數(shù)與（實(shí)際的λ/規(guī)格的λ）之比成比例。
2.蝕刻深度針對(duì)設(shè)計(jì)的特定入射激光波長進(jìn)行了優(yōu)化，在其他波長下使用會(huì)導(dǎo)致輸出光束中的能量遷移，并且一部分?jǐn)U散功率會(huì)移動(dòng)到非均勻的零階，在輸出光束中顯示為中心峰。
盡管如此，我們的勻光片產(chǎn)品可以靈活地用于在很寬的波長譜上以產(chǎn)生各種各樣的擴(kuò)散角，只有刻蝕工藝需要根據(jù)客戶需求進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
問：DOE與聚焦透鏡之間的推薦距離是多少？可以是幾毫米嗎？
答：對(duì)于勻光片系統(tǒng)，DOE和聚焦系統(tǒng)之間的距離并不重要，只要聚焦系統(tǒng)的通光孔徑足夠大（在聚焦鏡頭位置約為1.5×輸出光斑尺寸）以防止由于截?cái)喽斐赡芰繐p失。公式如下：
