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微透镜阵列匀化光路的调试中的注意细节

作者: 时间:2022-02-09

激光加工领域中,常常需求出射的激光能量分布为平整均匀的,亦即常说激光匀化,对光源进行平顶光整形。针对不同的激光,市面上主要流行与微透镜阵列、DOE元件和非球面镜等三种常见的。而这种有细分出多种不同的镜片。其中微透镜阵列为ROE型元件,具备适用波长广,成本低的,匀化效果好的特点。常见的微透镜阵列匀化光路有单片微透镜阵列,即双面微透镜阵列或称双面复眼透镜。另一种是两片,平凸型的复眼透镜的微透镜匀化光路。本文针对后者调试中的注意事项作了简要介绍。

针对不同的激光匀化,目前比较常见的平顶光整形器件有:微透镜阵列、工程散射片(diffuser)、匀化片、整形镜等。而这些器件适用领域的核心区别因素是激光器的质量评定因子M²。一般,激光器M²≤1.3的,常用为匀化片和整形镜两种。而M²≥5的激光,一般适用于微透镜阵列、工程散射片(diffuser)。

工程散射片(diffuser)的本质是伪随机的微透镜阵列,结构为平凸结构,只需要单片就可以实现效果,光路长度理想。但是现有对于微透镜阵列,其成本较高。用于激光匀化的微透镜阵列主要有双面和单面两种,双面的有点在于单片镜片,双面结构,多用于紧凑集成。但是其缺点在于可调节范围小,特定性强,不便于调节。另一种单面的复眼透镜方案更为常见,其微透镜阵列匀化光路虽然会比单片双面微透镜阵列的方案稍微长,但是光路灵活,可变性高,易于调节。其常见微透镜匀化光路,如下图所示:

激光光源经过扩束准直后,平行入射。平行入射的激光束,打在第一面微透镜阵列上,经过每个子单元的聚焦,重新形成阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束,看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加,基于阵列排布的对称性,也即出射小光束的对称性,小光束的不均匀性相互抵消,最终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。最终光斑的计算公式如下:

DFT= pLA•fFL/ fLA2


调试过程中,需要主要的事项主要有光源质量M²、对准、光路放置、入射光准直问题。

光源的质量M²只要大于5一般都适用于该平顶光整形光路。该激光匀化光路是将准直入射的光,重新细分成规则排布的细小光束,对称展开实现激光能量在光斑区域的均匀分布。其均匀性,根据实验条件不同,可以达到70~80%。理论上,口径P越小,其匀化效果越好。但小口径,同时会带来衍射的干扰的影响,导致终端的匀化效果反而不理想。一般我们建议适用口径尽可能大于300μm。如果激光的光源的想干性没那么强的,也可以适当小些。需要注意的是,匀化光斑的四方微弱的衍射属于正常情况,可以同过提高精度和面型光洁度改善,但是对应的成本过高,性价比不高。

相应的,如果相干性强的,则需要更大的口径,大于500μm

对准——主要是两片微透镜阵列之间子单元的对准,这也是一般推荐使用同型号的微透镜阵列的原因——有利于对准。当然,不同型号接近的也可以。如果实验中边沿过渡带比较明显,不够锐利可以通过旋转微透镜阵列的角度做调整,顺时针90°旋转。

光路放置问题——首先是微透镜阵列的放置。从图中可以明显看到,两片微透镜阵列是凸面对外,平面相对的。两者之间的距离即焦距的长度,可以稍微长一些。聚焦镜的位置,没有严格的要求,可以等光路放置好后调整其前后距离对平顶光整形光斑的大小和效果做微调。也可以微调两个微透镜阵列之间的距离微调。

入射光的准直——入射光的准直性越好,出射效果越佳。


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