光学扩散器：设计、生产和使用

光学扩散器是对入射光束剖面进行平滑化的元件。立刻进入>>

背景：什么是光学扩散器？

光学扩散器是指对入射光束的光学功率进行分散的光学元件，也就是，将光能扩散到光束分布轮廓上，从而使光能包络比原来入射光束更加平滑。

有许多光学扩散器类型，包括全息光学元件和完全反射扩散器，但是在本文中，我们主要关注更适合于高功率激光束成形的光学扩散器，也就是衍射扩散器和微透镜扩散器。

衍射光学扩散器的设计考虑了扩散器需要生成的期望形状和强度剖面，以及波长。

这些设计参数被输入到迭代傅里叶变换分析（IFTA）算法中，其中，该算法能对模拟的扩散器相位进行优化，以使其与期望剖面的偏差最小。衍射设计由二进级制构成，通常为2-16级。对于多级制、高效设计，这种优化通常会导致相位中产生光学旋涡，从而对于需要高精度校准的生产来说具有挑战性。

简单微透镜光学扩散器，通常称为折射扩散器，是通过定义透镜间距和凹陷度来进行分析设计的。对于圆扩散，使用了一些随机化因素（电池形状或透镜位置）来打破透镜的对称性并且实现所需形状。

在更复杂的折射光学扩散器中，通常会向透镜表面增加其他相位随机化类型，以提高同质性并且减少由微透镜间距引起的有序伪影，如Holo/Or的宽带扩散器。

一般来说，有几种生产高功率应用光学扩散器的行业标准方法：

二元光刻和蚀刻：对于衍射扩散器，首选方法是使用半导体工艺，其中在每一步，都会通过光刻胶将晶片覆盖住，然后进行暴露以生成光学扩散器图案，再用等离子体蚀刻将图案蚀刻到基材上（RIE/ICP）。如果需要多层结构来提高效率，那么重复这一过程，从而导致N次重复2N高度水平。
灰度光刻和蚀刻：对于折射扩散器，可使用一种类似于二级制光刻的工艺过程，但是，与二进制书写不同的是，灰度光刻过程只需一个简单的书写步骤就能创造出类似透镜的结构。然后使用相同的蚀刻过程将这一结构转移到基材上。
激光烧蚀：对于折射扩散器来说，另一种有用的方法是激光烧蚀。使用了一种高功率激光束（通常波长为10.6um）一种受控方式对基材进行烧蚀，从而产生了期望的折射光学扩散器结构。
激光诱导蚀刻：而且，这种方法也大多同样适用于大规模的折射扩散器，该方法采用了可变功率的激光减弱（如灰度书写，但是直接在玻璃材料上进行书写）和化学湿法蚀刻的组合。减弱的区域是通过明显更高的蚀刻速率进行蚀刻的，从而将微透镜形状的照明剖面转移到玻璃材料中。

有无数使用光学扩散器的高功率激光应用。一些常见的应用包括：

美学激光皮肤治疗，包括去除纹身。通常，这些系统中的激光器具有不均匀的强度剖面，其热光点会损坏患者的皮肤。使用光学扩散器来使光点平滑化并将其塑造成正确的形状，以便能够达到最佳治疗效果。
大芯（>100um）多模光纤激光器的激光焊接、熔覆和退火。在该等应用中，通常需要在光纤激光器（>10mm）准直后使用大直径的多kW光束，以避免对光学系统造成损害。这些光束可通过光学扩散器进行塑形，以实现适合于特定工业过程的矩形或直线型材，其中，由于其高度多模性质而没有散斑。
深紫外光下的激光光刻，其通常使用非常高的M2准分子激光器。该等激光器倾向于具有不均匀或不稳定的分布剖面，解决这一问题的一个常用方法是使用光学扩散器来进行光束塑形并使其均质化。在该等应用中，衍射扩散器在大多数情况下都是首选，因为其角度非常小并且通常需要绝对角精度。

光学扩散器是对光束剖面进行均质化和平滑化的元件。一些是通过传输（通过其的光是均质化的）进行工作的，而另一些是以反射模式进行运行的。

光学扩散器是基于期望的角度、强度剖面和形状进行设计的。对衍射光学扩散器进行了优化，以使其在单一波长下具有极高的角精度，而折射微透镜扩散器在其材料的整个透明光谱期间进行工作，但是其角精度较低。

有许多生产高功率光学扩散器的方式，包括半导体光刻和蚀刻方法，以及激光烧蚀或者激光辅助蚀刻方法。