介绍

在各个行业中,需要将激光束聚焦到具有均匀强度的明确定义的尺寸和形状(平顶)上。平坦的顶部可以对工作表面进行均匀的激光处理,并且无论脉冲能量如何,都可以保持相同的有效面积。此外,光点的尖锐边缘(狭窄的“过渡区域”)在已处理区域和未处理区域之间创建了清晰的边界。

平顶光整形器的典型激光应用包括:

  • 裁切
  • 烧蚀
  • 打孔
  • 划线
  • 退火
  • 医学和美学
  • 显微镜和科学
  • 光片细胞计数

本应用说明旨在帮助用户理解产品功能,并共享使用光束整形器原件时应考虑的注意事项。

操作原理

平顶(TH)光束整形器是一种光学元件,主要基于衍​​射技术(衍射光学元件– DOE),用于将高斯(TEM00)入射激光束转换成圆形,矩形,正方形,直线或其他自定义的定义好的形状。光束整形器应用中最经典的设置包括激光器,光束整形器元件,聚焦光学器件和待处理的表面。下图1显示了典型的平顶光设置。

图1:典型设置 

每个光束整形器用一组特定的光学系统参数来设计:

  • 波长
  •  输入光束尺寸(D)
  • 输出光斑尺寸(d)

注意:如果使用的这些参数的值超出了建议的窄公差范围,则会降低平顶光束整形元件的性能,并可能使其对应用无效。

设计注意事项

  • 为了获得高质量的光束整形器性能,激光输出应为  单模  (TEM00),且  M2  值低于1.3。
  • 光束路径中的所有光圈必须  至少  比光圈平面上的光束尺寸(1 / e 2)大2倍(> 2.5倍最佳)。通常包括平面镜(用于光束折叠或扫描),扩束器/望远镜和聚焦光学器件(镜头,物镜,F-Theta等)。
  • 光束路径中的所有光学器件应具有高质量,即具有  低像差水平,以免增加波前误差并降低光束整形器性能。
  • 输入光束要  准直
  • 在设计所需的输出平顶光尺寸时,熟悉术语“衍射极限(DL)”非常重要–这是最小光斑尺寸的物理光学极限,即如果从系统中删除了光束整形器的光斑尺寸。
  • 根据经验,光束整形器的光斑尺寸 必须至少为下式定义的衍射极限光斑尺寸的1.5倍(对于M 2 = 1)。

衍射极限光斑尺寸的公式

其中:EFL –聚焦光学器件的有效焦距,λ–波长,D –输入光束尺寸,M2 –输入激光束的激光束质量参数

一般规格

Materials 用料Fused Silica, ZnSe, ZnS, Germanium, Silicon, Plastics
熔融石英,硒化锌,硫化锌,锗,硅,塑料
Wavelength range 波长范围193nm to 10.6um
DOE design 能源部设计2 – level (binary) to 16 – level, or kinoform (grayscale)
2级(二进制)到16级(或灰度)(灰度)
Polychromatic design 多色设计Continuous free form surface 连续自由曲面
Type 类型Transmissive or Reflective 透射或反射
Minimum Full angle 最小全角very small (about 1.5 times Diffraction Limit)
非常小(约为衍射极限的1.5倍)
Efficiency 效率Up to 99% 高达99%
Element size 元素大小3 – 150mm 3 – 150毫米
Coating (optional) 涂层(可选)AR/AR Coating 增透膜
Custom Design 定制设计Any Shape 任何形状

光束整形器品质因数

一些基本规则:

  • 平顶光束的尺寸不可能小于衍射极限光斑尺寸(DL)。
  • 光束整形器的尺寸和DL之间的因数决定了光束整形器的质量和效率。较大的因子可以使边缘更锐利。
  • 光束整形器的传输区域不能小于0.5 DL,通常约为1 DL。

具有相同DL尺寸的相同平顶尺寸的示例。随着DL尺寸的减小–成型质量提高,从而减少了“浪费”的能量。

质量由平顶的转移区域与平坦区域的比率定义。 

通常,应用要求传输区域(13.5-90%)尽可能小,并且平顶轮廓必须具有最大的相对平坦尺寸,即均匀区域大小。因此,质量(Qth)参数定义为:

平顶(TH)和稳定平顶(ST)类型的比较

Holo / Or使用两种不同的概念来设计光束整形器。对于TH原件,我们使用半解析解决方案,并且仅限于直线,矩形,正方形或圆形等基本形状。 

ST设计基于计算机辅助的数值优化设计,可用于实现任意形状和强度分布的轮廓。TH元件具有较大的转移区域,但与ST元件相比,散焦性能更好。与等效TH元件相比,ST元件的传输区域小两倍。

下面是典型TH / ST与等效设计叠加的比较图-例如,相同的光斑尺寸为90%。

光束整形器和多色光束整形器的比较

标准的光束整形器针对特定的波长进行了优化。使用其他波长将影响平顶光束的性能。如果客户的应用需要多色光源,则使用多色 光束整形器 通常是更好的解决方案。多色光束整形器可在很宽的波长范围内正常工作。但是,此产品的平顶光束尺寸和形状可能不太准确。

下表是标准光束整形器和多色光束整形器之间的比较表

类型标准多色的
波长依赖性没有
材料熔融石英,硒化锌,塑料熔融石英,锗
平顶光束形状任何圆形,正方形,直线,矩形
效率>95%>95%
均匀度通常<5%通常<10%
平顶光束尺寸非常精确精确
平顶光束形状非常精准准确
平顶光束塑造质量与波长无关与波长成反比
平顶光束全角度与波长成比例与折射率成正比

多色光束整形器在   产品页面中,格式为 PT -123-ABC

平顶光束成形器的典型公差表

波长偏离设计±2 %
XY 位移(偏心)输入光束直径的 ±5%
顶端,倾斜±5 度
输入光束直径±5%
输入光束椭圆率5%
工作距离(散焦)<平顶光斑焦点尺寸的 50%

对准灵敏度和光束公差

光束整性原件对各种参数公差敏感。在设计包含衍射光学元件(DOE)的装置时,应注意确保这些系统参数的控制和稳定性。
平顶光束的许多输出规格取决于输入光束直径的相对位移和/或失配。因此,通过在设计之前扩展输入光束,可以使系统灵敏度降低。例如,对于直径为10mm的输入光束,5%的失配给出0.5mm的公差,而对于直径为2mm的光束,5%的公差仅相当于0.1mm。

公差对光束整形器的影响

对于放置在精确的标称工作距离平面内的,定位良好的完全对准零件,将获得最佳性能。为了说明光束整形器性能对不同公差参数的敏感性,此处包括了一些典型光束整形器元件的图形(WD:120mm,λ:532nm,Din:10mm)。

4:输入光束的x轴或y轴偏心对平顶轮廓的影响

top hat flat top beam shaper - decenter tolerance

**值得注意的是,在上面的图4中由于偏心导致的倾斜平顶轮廓;即强度从点的一侧到另一侧的斜率。

5:工作平面散焦对平顶轮廓的影响

top hat flat top beam shaper - Effect of x-axis or y-axis de-centering of input beam

**请注意,当平顶轮廓的位置距离太近(蓝色  曲线)而不是太远(紫色  曲线)时,其行为表现不同。在这两种情况下,均一性都会下降,而延长的距离会在平顶光束的光点外围出现狭窄的峰(像“狗耳朵”),而缩短的距离则会使输出更圆滑。

6:输入光束尺寸公差对平顶外形的影响

top hat flat top beam shaper - Effect of Input Beam Size Tolerance

**有趣的是可以注意到,在图6中产生了与图5非常相似的效果。太大的光束尺寸和更大的散焦之间存在明显的平行关系。“狗耳朵”的效果是相同的。

光束整形集成工具

Matlab:

Holo / Or发布了用于MATLAB的光束整形器集成工具。这项免费服务可为任何光束整形器提供强度分布。设计师可以自由选择自己喜欢的波长,输入直径,光斑大小和工作距离。这里提供一个链接,可以快速获得模拟设计的结果。

下载光束整形器集成工具的P代码

说明:

  • 解压缩下载的文件。
  • 将您的 MATLAB当前文件夹 更改为未压缩的文件夹。
  • 在“命令窗口”中输入“ help TH”,然后单击“ Enter”。
  • 请按照说明进行操作,以模拟您的自定义/标准平顶设计。

ZEMAX黑匣子

我们已经发布了在 Zemax 中建模光束成形器的教程:

使用TH A的黑盒文件