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不同光束整形和光束匀化方案的对比

作者: 时间:2021-07-15

自第一台激光器诞生至今,激光由于其高单色性、高方向性、高亮度和高相干性等优于传统光源的特点,在工业加工、医疗、国防、科研等各个领域发挥着越来越重要的作用。随着激光在各个领域的应用越发深入,对于激光性能的要求也越来越高。

正常的激光是具有能量分布呈高斯分布的特点,中间能量高四周能量低,这就使得在某些应用中,这种能量分布的不均匀性会限制其的使用。比如激光焊接中,高斯光产生的焊缝是不均匀的;太阳能电池划片中,高斯光会损伤材料基底;生物实验中,高斯光过强的中心能量会杀死中心区域的细胞等。因此,就诞生出了具有光强空间分布均匀特点的平顶光束,能消除高斯光在上述等应用中所带来的影响。

最开始得到平顶光束的方式是加一个光阑,由于高斯光束中心区域是相对比较均匀的,用这种方法可以得到其中心比较均匀的部分。但是光阑会导致很高的能量损失,并不是很好的解决方案。目前比较常见的高斯光转平顶光束的方式有衍射光学元件、非球面透镜组、微透镜阵列、多边形匀化棒、液晶空间光调制器等。

本文会做一个不同光束整形和光束匀化方案的对比,由于衍射光学元件是目前最具发展前景的方案,所以会重点做介绍。


一、衍射光学元件

衍射光学元件,Diffractive Optical Element,缩写为DOEDOE是一种相位浮雕元件,它使用微结构来改变通过它们传播的光的相位,从而以各种方式操纵它来创建形状和光斑,这些形状和光斑要么是使用折射光学的不同方法无法实现的,要么是需要非常复杂、庞大和昂贵的光学元件或系统。

DOE是根据入射光场及出射光场的分布函数,计算出中间光学系统参数,并通过掩模加工,在光学元件表面刻蚀得到设计的图案。与传统的光学元件相比,DOE体积小、轻而薄,容易进行集成。此外还有如下优点:

1)衍射效率高

DOE一般是加工成多相位阶数的浮雕结构,根据加工次数的不同,有二阶、四阶、八阶和十六阶的器件,其中十六阶的DOE效率可达97%

2)设计自由度高

衍射光学元件可以通过设计不同的槽宽、槽深以及槽型结构的改变产生任意波面,有着更大的设计自由度,可以设计出很多传统光学元件不能做到或者太过繁杂的光学元件。

3)材料选择范围宽

DOE是一种相位浮雕元件,只要材料合适,能在上面加工出台阶结构,就能得到一定的光学性质。

4)独特的色散性

DOE是在单色光中使用的,是一种色散元件,具有不同于常规元件的色散特性。当其与折射光学系统使用时,可以同时矫正球差和色差。以常规折射元件的曲面提供聚焦功能,再利用表面的相位波带结构矫正像差。

5)工艺的可复制性

DOE是可以进行批量加工的,比如以色列holoor采用的半导体加工工艺,可以批量生产衍射光学元件,从而成为全球第一家提供商用衍射光学元件的企业。

虽然DOE与传统光学元件相比有这么多优点,但是也存在着不足之处。比如它的设计方式更加复杂,元件制作难度大且成本高。尽管如此,随着设计方法的不断提高与加工工艺的改进,衍射光学元件的应用会越来越广泛。


二、非球面透镜组

非球面镜光束整形是由两个非球面透镜组成,基于非球面透镜的相位调制作用进行整形。第一个非球面透镜对光束进行整形,第二个将整形后的光束准直。一般第一个非球面透镜是平凹透镜,所以结构上为伽利略式。非球面透镜组光束整形有着能量转换效率高,结构紧凑的优点。但是这种系统对于光束的适应性不强,对于单模高斯光的整形效果比较好。而激光器并不总是发射单模激光,对于多模激光,强度分布比较复杂,有时甚至随着时间变化,所以非球面透镜组的效果就不是很好。

另一方面,非球面镜光束匀化在生成准直平顶光方面有着良好的性能。衍射光学元件由于其光学原理的限制,很难生成长距离的准直平顶光。比如holoor的准直平顶光模组只有300mm长,而非球面透镜组可以做到上千毫米。德国asphericon GmbHa|TopShape模组,波长范围为320-2500nm,可生成长达3000mm的准直平顶光。下图显示了工作距离为 3000 mm 时的强度分布。它的特点是 ISO 光束均匀度为 0.1

三、微透镜阵列

微透镜阵列是由表面孔径为几微米到几百微米的小透镜规则或者随机排列组成。根据透镜形状可以分为圆形微透镜阵列、方形微透镜阵列、柱面微透镜阵列和六边形微透镜阵列等,还可以根据子单元面型分为折射式微透镜阵列和衍射式微透镜阵列。

下图为常见的双微透镜阵列成像系统,利用第二片微透镜阵列对光束进行校正,使得入射光在经过第二片微透镜阵列以后平行于光轴。出射光线的出射方向是相同的,经过透镜汇聚到同一个区域。

除了上述这三种,多边形匀化棒、液晶空间光调制器、双折射透镜组等都可以用来产生平顶光。感兴趣的用户可以来电咨询,我们公司在平顶光束整形领域有着丰富的经验。


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