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能够聚焦成平顶光斑的平顶光束

作者: 时间:2021-12-02

目前是市场上主流的光束整形方案有两种,一种是以Holoor为代表光束整形器DOE,其采用衍射光学的方法,结合其它光学元件组成模组,可以产生空间传输的平行平顶光束,另一种是以ADLoptica为代表的折射光束整形模组,也是在空间传播上产生准直的平顶光束。但这两种方法产生的平顶光束都无法聚焦成平顶光斑,Asphericon的光束整形模组不仅可以产生平行平顶光束,而且其聚焦之后还是一个能量分布均匀的平顶光斑,特别适合显微镜均匀照明等应用。

平顶光束聚焦平顶光斑的显微镜均匀照明在定量分析上是至关重要的。Asphericon在光束整形系统中使用消色差透镜将高斯光束输出为准直平顶光,然后通过TopShape光束整形器整形为得到平顶光斑,其不均匀性仅为2.9%,在工作距离上能保持在300毫米以上。

我们都知道,高斯光束轮廓的能量分布上呈高斯分布的特点,即中间能量高四周能量低的不均匀性,这就使得在某些激光加工应用中被限制使用。比如在基于激光的宽场荧光显微镜的定量分析应用上,因为荧光强度是分析图像的主要信息,而荧光信号的强度取决于入射光量,所以平顶光束轮廓的照明在定量分析上至关重要。目前是市场上主流的光束整形方案有两种,一种是以Holoor为代表光束整形器DOE,其采用衍射光学的方法,结合其它光学元件组成模组,可以产生空间传输的平行平顶光束,另一种是以ADLoptica为代表的折射光束整形模组,也是在空间传播上产生准直的平顶光束。但这两种方法产生的平顶光束都无法聚焦成平顶光斑,Asphericon的光束整形模组不仅可以产生平行平顶光束,而且其聚焦之后还是一个能量分布均匀的平顶光斑,特别适合显微镜均匀照明等应用。

Asphericon提出了应用于基于激光的宽场荧光显微镜的紧凑折射式光束整形系统,使用消色差透镜将高斯光束输出为准直平顶光,然后通过TopShape光束整形器整形为得到平顶光斑,达到激光显微镜的平场照明(flat-field illuminationFFI,显微镜均匀照明)效果。

在基于激光的宽场荧光显微镜中,创建一个均匀的平顶光束轮廓来进行照明可能有很多的方法。例如,对高斯光束的中心部分进行扩大,但这样的效果并不理想,因为这导致入射激光功率的严重损失;当使用一对微透镜阵列或结合激光缩束器的的多模光纤时,但它们降低了光束的空间相干性,使其无法紧紧聚焦物镜后的焦平面上。对于产生平顶光束聚焦平顶光斑常用方法是通过使用一对非球面透镜(图1a),其中第一个非球面透镜得到再分布的光束,第二个非球面透镜得到准直平顶光,以产生平行平顶光,达到在显微镜均匀照明效果。但是,由于在非球面表面质量的工艺要求上很难控制,加上显微镜光路系统上有限的、紧凑的工作距离,这种非球面透镜光束整形系统在显微镜中的应用一直是个挑战。Asphericon使用专门设计的基于TopShape光束整形器的折射式光束整形系统(图1b),以实现得到准直平顶光束聚焦平顶光斑。

1 AsphericonTopShape准直平顶光束聚焦平顶光斑

Asphericon基于TopShape光束整形器的把准直平顶光束聚焦平顶光斑系统中(图1b),消色差透镜对单模光纤(L1)出射的多波长高斯光束进行准直后,TopShape整形得到准直平顶光束,并使得平顶光束聚焦平顶光斑,另外,从单模光纤(L2)出射的不均匀性的准直高斯光束照明,将作为不同光束光斑的强度和均匀性对比分析。

2 高斯光束和平顶光束轮廓的光束剖面曲线对比

AsphericonTopShape所产生的均匀性的聚焦平顶光斑和高斯光束光斑对比上(图2ab),AsphericonTopShape准直平顶光束聚焦平顶光斑的不均匀性仅为2.9%,且照明效率为85%,没造成入射激光功率的损失。另外,Asphericon折射式的TopShape准直平顶光束聚焦平顶光斑系统不再需要额外的光纤或准直器就可以实现多色成像(图2c)。通过TopShape光束整形器所产生的聚焦平顶光斑,显微镜均匀照明能保持在300毫米(图2de)。

准直平顶光束聚焦平顶光斑整形元件TopShape是以折射为基础的,使用非球面透镜组的方式,实现了平顶光束强度的均匀性分布。与Holoor利用DOE方式和ADLopotica利用非球面透镜的光束整形模组所得到的平行平顶光斑不同,使用TopShape得到的聚焦平顶光斑,能聚焦的准直距离更远。

3 平行平顶光的传播分布示意图

平行平顶光是平顶光束在分布传播上仅有一定距离的光束,但是如果聚焦或传播到远场,将不会产生平顶光斑,而是类似与贝塞尔光束的中心光斑,产生俗称“狗耳朵”形状的光斑(图3)。平行平顶光束通常是DOE衍射光束整形模组(如Holo/Or的平行平顶模块)的输出。我们都知道准直平顶光束聚焦平顶光斑仅出现在光束腰周围,即透镜的平顶光束聚焦平顶光斑,非常适合应用于在扫描系统的焦平面上进行的激光微电子生产加工。这一点在应用上,不同于平行平顶光斑,通常用作自由光束(非聚焦),用于晶片检查或传感检测等应用。Asphericon折射式的TopShape光束整形器在准直平顶光束聚焦平顶光斑上,除了标准的300mm型号外,还可以提供长达1.5米的LongDistance版本甚至定制到远的聚焦距离,而HoloorAdloptica的准直光距离均小于500mm。另外,在光束波长的应用范围内,holoor使用DOE由于衍射光学原理的限制,所提供的模组都只用于单个波长。但在这方面上,AsphericonTopShape光束整形器,可以用在超过400nm的波长范围内。

所以,关于Asphericon的光束整形系统在准直平顶光束聚焦平顶光斑的应用上,通过在光路中使用TopShape光束整形器把高斯光束轮廓塑造成平顶光束轮廓的均匀性分布的设计和性能上具有更多的无限可能性。


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