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长焦深DOE的原理及使用手册

作者: 时间:2020-03-18


长焦深DOE是一种衍射光学元件,能够沿着光轴在焦距附近产生一个能量分布近乎均匀、焦深长度几百微米到几毫米的焦点。这种长焦点与普通焦点相比,宽度几乎不变,但是焦点长度大大增加,因此特别适合材料的深度切割。这篇应用文档是为了便于行业同仁和用户理解和使用长焦深DOE

    

长焦深DOE的工作原理

为了便于理解,我们可以借用多焦点DOE的模型来解释长焦深DOE的原理。多焦点DOE能够将一束光分成几束,然后将每束光都进行聚焦,这样每束光都可以沿着光轴方向聚焦在不同的位置。长焦深DOE的工作原理与此类似,但是它生成的是一个连续的函数,而不是分裂为多个特定的焦点。因此,入射光是沿着光轴连续聚焦的。从理论上来讲,我们可以这样进行描述:近乎无限多份的输入能量聚焦在沿光轴彼此非常接近的不同位置(无限小的距离),从而产生了拉长焦点的效应。


注意:理解每个离散部分都有一个小的焦深是非常重要的。因此,对于沿光轴的每一个平面,只有少量的能量在焦点内,其余的能量将在焦点外。不在焦点内的能量表现为低能量环或围绕在一个高中心点的高能量环。这种能量分布有利于激光成丝切割。

长焦深DOE设计理论

对于一束正态高斯激光束,可通过以下公式定义焦点深度:


-𝒁𝑹𝒙——瑞利长度

-𝑴2 x——x方向的光束质量

-d ——光束直径(1/e2

-Δ ——the energy density drop

使用长焦深DOE,就可以绕过这一公式的限制。当使用长焦深DOE时,焦点区域由元件角度、外部透镜焦距和光束直径决定。

从理论上讲,可以设计出一种能产生长焦深的方案,但这个方案要以降低中心点的能量密度为代价。通常,拉长焦点深度就足以改进这个加工效果,而不必对光学系统中其他装置进行重大改变。这个方案可以在不更换激光或者改变焦距的情况下实现。

改变焦深的方法

对于不同的聚焦镜,焦深可以根据以下公式改变


-Δ ——焦深

0——初始焦深

-λ ——波长

0 ——初始波长

-fr ——有效焦距

-fr0——初始的有效焦距

另一种改变焦深的方法是改变入射激光的直径。

Δ = (w/w0) Δ0

-w0 ——初始入射光的直径

对于焦深的微小变化,我们建议使用二台阶的元件。与没有它们的光学系统的焦深相比,这些元件的焦深增加了约1.5倍。

改变长焦深DOE焦深的规则(其它系统参数不变的条件下):

1. 增加有效焦距=增加焦深

2. 增加光束直径=减小焦深

改变玻璃切割DOE焦深的实例

使用了长焦深DOE的光束与高斯光束的对比

-5mm的高斯光束

-有效焦距50mm

-波长532nm

图二是不同入射光直径的对比,图三是不同有效焦距的对比。




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