介绍
在各个行业中,需要将激光束聚焦到具有均匀强度的明确定义的尺寸和形状(平顶)上。平坦的顶部可以对工作表面进行均匀的激光处理,并且无论脉冲能量如何,都可以保持相同的有效面积。此外,光点的尖锐边缘(狭窄的“过渡区域”)在已处理区域和未处理区域之间创建了清晰的边界。
平顶光整形器的典型激光应用包括:
- 裁切
- 烧蚀
- 打孔
- 划线
- 退火
- 医学和美学
- 显微镜和科学
- 光片细胞计数
本应用说明旨在帮助用户理解产品功能,并共享使用光束整形器原件时应考虑的注意事项。
设计注意事项
- 为了获得高质量的光束整形器性能,激光输出应为 单模 (TEM00),且 M2 值低于1.3。
- 光束路径中的所有光圈必须 至少 比光圈平面上的光束尺寸(1 / e 2)大2倍(> 2.5倍最佳)。通常包括平面镜(用于光束折叠或扫描),扩束器/望远镜和聚焦光学器件(镜头,物镜,F-Theta等)。
- 光束路径中的所有光学器件应具有高质量,即具有 低像差水平,以免增加波前误差并降低光束整形器性能。
- 输入光束要 准直。
- 在设计所需的输出平顶光尺寸时,熟悉术语“衍射极限(DL)”非常重要–这是最小光斑尺寸的物理光学极限,即如果从系统中删除了光束整形器的光斑尺寸。
- 根据经验,光束整形器的光斑尺寸 必须至少为下式定义的衍射极限光斑尺寸的1.5倍(对于M 2 = 1)。
衍射极限光斑尺寸的公式
其中:EFL –聚焦光学器件的有效焦距,λ–波长,D –输入光束尺寸,M2 –输入激光束的激光束质量参数
一般规格
Materials 用料 | Fused Silica, ZnSe, ZnS, Germanium, Silicon, Plastics 熔融石英,硒化锌,硫化锌,锗,硅,塑料 |
Wavelength range 波长范围 | 193nm to 10.6um |
DOE design 能源部设计 | 2 – level (binary) to 16 – level, or kinoform (grayscale) 2级(二进制)到16级(或灰度)(灰度) |
Polychromatic design 多色设计 | Continuous free form surface 连续自由曲面 |
Type 类型 | Transmissive or Reflective 透射或反射 |
Minimum Full angle 最小全角 | very small (about 1.5 times Diffraction Limit) 非常小(约为衍射极限的1.5倍) |
Efficiency 效率 | Up to 99% 高达99% |
Element size 元素大小 | 3 – 150mm 3 – 150毫米 |
Coating (optional) 涂层(可选) | AR/AR Coating 增透膜 |
Custom Design 定制设计 | Any Shape 任何形状 |
光束整形器品质因数
一些基本规则:
- 平顶光束的尺寸不可能小于衍射极限光斑尺寸(DL)。
- 光束整形器的尺寸和DL之间的因数决定了光束整形器的质量和效率。较大的因子可以使边缘更锐利。
- 光束整形器的传输区域不能小于0.5 DL,通常约为1 DL。
具有相同DL尺寸的相同平顶尺寸的示例。随着DL尺寸的减小–成型质量提高,从而减少了“浪费”的能量。
质量由平顶的转移区域与平坦区域的比率定义。
通常,应用要求传输区域(13.5-90%)尽可能小,并且平顶轮廓必须具有最大的相对平坦尺寸,即均匀区域大小。因此,质量(Qth)参数定义为:
平顶(TH)和稳定平顶(ST)类型的比较
Holo / Or使用两种不同的概念来设计光束整形器。对于TH原件,我们使用半解析解决方案,并且仅限于直线,矩形,正方形或圆形等基本形状。
ST设计基于计算机辅助的数值优化设计,可用于实现任意形状和强度分布的轮廓。TH元件具有较大的转移区域,但与ST元件相比,散焦性能更好。与等效TH元件相比,ST元件的传输区域小两倍。
下面是典型TH / ST与等效设计叠加的比较图-例如,相同的光斑尺寸为90%。
光束整形器和多色光束整形器的比较
标准的光束整形器针对特定的波长进行了优化。使用其他波长将影响平顶光束的性能。如果客户的应用需要多色光源,则使用多色 光束整形器 通常是更好的解决方案。多色光束整形器可在很宽的波长范围内正常工作。但是,此产品的平顶光束尺寸和形状可能不太准确。
下表是标准光束整形器和多色光束整形器之间的比较表
类型 | 标准 | 多色的 |
波长依赖性 | 是 | 没有 |
材料 | 熔融石英,硒化锌,塑料 | 熔融石英,锗 |
平顶光束形状 | 任何 | 圆形,正方形,直线,矩形 |
效率 | >95% | >95% |
均匀度 | 通常<5% | 通常<10% |
平顶光束尺寸 | 非常精确 | 精确 |
平顶光束形状 | 非常精准 | 准确 |
平顶光束塑造质量 | 与波长无关 | 与波长成反比 |
平顶光束全角度 | 与波长成比例 | 与折射率成正比 |
多色光束整形器在 产品页面中,格式为 PT -123-ABC
平顶光束成形器的典型公差表
波长偏离设计 | ±2 % |
XY 位移(偏心) | 输入光束直径的 ±5% |
顶端,倾斜 | ±5 度 |
输入光束直径 | ±5% |
输入光束椭圆率 | 5% |
工作距离(散焦) | <平顶光斑焦点尺寸的 50% |
对准灵敏度和光束公差
光束整性原件对各种参数公差敏感。在设计包含衍射光学元件(DOE)的装置时,应注意确保这些系统参数的控制和稳定性。
平顶光束的许多输出规格取决于输入光束直径的相对位移和/或失配。因此,通过在设计之前扩展输入光束,可以使系统灵敏度降低。例如,对于直径为10mm的输入光束,5%的失配给出0.5mm的公差,而对于直径为2mm的光束,5%的公差仅相当于0.1mm。
公差对光束整形器的影响
对于放置在精确的标称工作距离平面内的,定位良好的完全对准零件,将获得最佳性能。为了说明光束整形器性能对不同公差参数的敏感性,此处包括了一些典型光束整形器元件的图形(WD:120mm,λ:532nm,Din:10mm)。
图4:输入光束的x轴或y轴偏心对平顶轮廓的影响
**值得注意的是,在上面的图4中由于偏心导致的“倾斜”平顶轮廓;即强度从点的一侧到另一侧的斜率。
图5:工作平面散焦对平顶轮廓的影响
**请注意,当平顶轮廓的位置距离太近(蓝色 曲线)而不是太远(紫色 曲线)时,其行为表现不同。在这两种情况下,均一性都会下降,而延长的距离会在平顶光束的光点外围出现狭窄的峰(像“狗耳朵”),而缩短的距离则会使输出更圆滑。
图6:输入光束尺寸公差对平顶外形的影响
**有趣的是可以注意到,在图6中产生了与图5非常相似的效果。太大的光束尺寸和更大的散焦之间存在明显的平行关系。“狗耳朵”的效果是相同的。
光束整形集成工具
Matlab:
Holo / Or发布了用于MATLAB的光束整形器集成工具。这项免费服务可为任何光束整形器提供强度分布。设计师可以自由选择自己喜欢的波长,输入直径,光斑大小和工作距离。这里提供一个链接,可以快速获得模拟设计的结果。
说明:
- 解压缩下载的文件。
- 将您的 MATLAB当前文件夹 更改为未压缩的文件夹。
- 在“命令窗口”中输入“ help TH”,然后单击“ Enter”。
- 请按照说明进行操作,以模拟您的自定义/标准平顶设计。
ZEMAX black box
We have published a tutorial for modeling a beam shaper in Zemax: