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分束器原理及应用手册

作者: 时间:2020-03-21



衍射激光分束器简称分束器(Beamsplitter),与其同类的产品还有衍射多线阵列DOE,即得到的是一个1×M的线阵列而不是1×M的点阵列,线阵列的长度可以通过DOE表面的衍射图样来设计。衍射激光分束器在众多工业和研究中使用,其典型的领域有:激光划片(如太阳能电池或面板中的划片),激光切割,激光显示器,香烟过滤嘴,医学或美容应用(如皮肤护理),3D感应应用中的点生成器,红外深度探测器,光纤等。


激光分束器的操作原理

准直的入射激光光束经过分束器DOE,输出光束会以特定的分离角度射出,这个特定的分离角度是根据客户要求而设计的(如图1),并且分离角度极其精准,误差小于0.03mRad,光束的分离是为远场设计的,因此随着光束在通过DOE之后逐渐分离开来,使输出光束变得更加清晰。


1 激光衍射分束器的基本设置

由图1可以看出,对于具有奇数个输出光束的分束器,分离角是0阶光束和+1阶光束之间的角度,0阶光束是所需的输出光束,处于被激活状态。对于偶数个输出束的分束器,分离角是+1阶光束和-1阶光束之间的角度,此时0阶光束不是所需的光束,处于未被激活状态。但是,通过HoloOr设计定制的激光衍射分束器能够激活或停用任何阶次。


带聚焦镜的激光衍射分束器

通常,客户需要在特定距离处生成聚焦良好的光斑。这可以通过在分束器DOE之后添加一个聚焦透镜轻松实现,该透镜的后焦距(BFL)确定了到焦平面(加工面)的工作距离(WD),如图2显示的是三个光束的例子。

2 带聚焦镜的激光衍射分束器

因此我们可以选择合适的聚焦镜,利用简单的数学关系有如下等式:

其中D是相邻两个阶的输出光束距离,WD是工作距离,α是相邻两个阶次的输出光束之间的发散角。

焦平面上的输出光束光斑直径有如下公式:

其中L是工作距离,λ是入射激光波长,D是入射激光直径,M²是入射激光质量因子。


分束器的注意事项与限制

在输出双光束的分束器配置中,由于物理限制,功率效率能达到近80%,而两阶蚀刻的多光束(输出光束数量> 2)配置的功率效率可以达到近85%,而多阶蚀刻的衍射分束器则可以达到近95%。剩余功率分配在其他不需要的阶次光束中。

只有在衍射图案的最小特征尺寸不是那么小的情况下才值得进行多级蚀刻。如果太小,则制造公差可能会将效率级别降低到接近二进制级别。最小特征尺寸是分束器总发散角度和波长的函数。

能量分配可以是输出的多光束之间能量均匀,也可以是满足应用要求的光束之间能量不均匀分配。

通常,在项目初始测试阶段,用户可能希望使用设计波长与实际应用波长不完全相同的标准产品。在这种情况下,Holo/Or可以为用户提供实际波长的预期性能,因为对于某一特定型号的分束器,波长改变后不同衍射阶次的能量会重新分配。

最小输入光束直径的大小由DOE规格书的设计参数决定,对于单模激光器,1)奇数个点分束的情况下,其最小入射光束直径的大小至少为DOE中周期数的3倍,2)如果偶数个点的衍射激光分束器,则入射光束至少为该尺寸的1.5倍。反过来,周期由以下公式给出:

其中Λ为DOE的周期,m为衍射阶数,λ为入射激光波长,α为m阶衍射光束与光轴之间的夹角。


公差范围

在衍射激光分束器的零阶方向,不存在衍射效应,光束只遵循最基本的反射和折射定律。

在奇数个输出光束中,与偶数个输出光束不同,“零阶”是必需输出光束之一,如图3所示。在制造过程中产生的公差可能会导致零阶强度与理论模拟值稍有不同;同样,均匀性和效率也会略有不同。对于任何特定的设计,可以根据客户的要求将期望值提供给客户。

3 零阶光束情况

在我们的标准多光束分束器列表中,零阶能量将显示为偶数多光束的输入光束能量的百分比(假设传输效率为100%),以及奇数多光束的其他所需阶能量平均的百分比,如图4所示。

4 零阶能量显示

在图4中,某些制造误差后的零阶能量在一维光束阵列1×6(左图)的情况下为输入光束的1.57%,在一维光束阵列1×7(右图)的情况下,其他所需阶数的平均能量为74.9%。

请注意,对于具有非常大的光束数量(大约光束数量> 400)的元件,零阶将显示为输入光束功率的百分比,而不是相对于其他阶数的百分比。

零件编号(PN)的代码:我们元件的PN以下列格式构建:AB-000-C-D-E

最后一个字母E(在奇数多点和三重点的情况下)是指示零阶的代码。

选项列表:

A:0-100%之间的零阶

N:50-100%之间的零阶

L:0-50%之间的零阶

X:特定于每个多点的标准零阶

S:自定义零序






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