介绍

衍射分束器(Multispot,MS)是一种衍射光学元件(DOE),用于将单个激光束分成几束,每束都具有原始光束的特性(功率和传播角度除外)。

衍射分束器可以生成一维光束阵列(1xN)或二维光束矩阵(MxN),具体取决于元件上的衍射图样。

激光分束器或多点DOE的常见变体是多线阵列,用户将获得1xN的线阵列,而不是1xN的点阵列,其长度是在设计期间根据客户的应用需求确定的。

我们的衍射分束器广泛用于研究和工业应用中。一些典型的区域包括:

  • 激光划片,例如太阳能电池或面板中的划片
  • 激光切割
  • 激光显示器
  • 香烟过滤嘴
  • 医学/美容应用,例如皮肤护理
  • 3D感应应用中的点生成器
  • 红外深度探测器
  • 光纤

本应用说明旨在帮助用户理解使用衍射分束器元件时的功能和注意事项。

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操作原理

操作原理非常简单。准直的输入光束经过分数器DOE后,输出光束以特定的分离角度输出,分离角度是在DOE设计期间根据客户的系统要求确定的(请参见下图1),并且分离角度非常精确(误差小于0.03mR)。光束的分离是为远场设计的,因此随着光束在DOE之后继续传播,它们变得更加清晰。

对于具有奇数个光束的标准分束器,分离角是+1阶和0阶之间的角度(0阶是所需的光束)。

对于具有偶数束的标准分束器,分离角是+1级和-1级之间的角度(0级不是所需的光束)。

但是,Holo / Or也能够设计定制的衍射分束器并激活或停用任何阶次。

通常,需要在特定距离处生成聚焦良好的光斑。这可以通过在DOE之后添加一个简单的聚焦透镜轻松实现,该透镜的BFL(后焦距)确定了到多点焦平面的工作距离(WD)。参见下面的图2。

典型设置

1:衍射分束器的基本设置

diffractive beam splitter multispot set up

2:带有聚焦透镜的衍射分束器(显示三重点示例)

diffractive beam splitter multispot with focusing lens

选择合适的镜头

当使用工作距离WD、衍射点与光轴传播的角度α和衍射点与光轴D的距离时,利用以下数学关系为应用选择合适的透镜非常容易:

D:衍射点与光轴之间的距离(零级)

WD:工作距离

α:衍射点与光轴传播之间的角度

焦平面上的光斑大小由以下公式给出:

L:工作距离

λ:波长

D:输入光束尺寸

M2:输入激光束的M2值

使用Holo / Or的衍射分束器光学计算器找出满足所需输出所需的光束参数。

设计注意事项和限制

在双点配置中,由于物理限制,功率效率能达到近80%,而双点蚀刻的多点(> 2)配置的功率效率可以达到近85%,而多级蚀刻条件则可以达到近95%。剩余功率分配在不期望的阶次中。

只有在衍射图案的最小特征不是那么小的情况下才值得进行多级蚀刻。如果太小,则制造公差可能会将效率级别降低到接近二进制级别。最小特征尺寸是分束器总发散角度和波长的函数。

能量分配可以设计为多点均匀或满足应用程序要求的任何不均匀分配。

通常,出于初始测试目的,用户可能希望使用设计波长与用户应用中的波长不完全相同的标准产品。在这种情况下,Holo / Or可以为用户提供其他波长的预期性能(阶次间的功率分配)。

最小输入光束大小由手头应用的各种设计参数决定,对于单模激光器,其最小入射光束的大小至少为DOE中周期数的3倍(对于奇数个点),如果在DOE期间的点数是偶数,则至少为该尺寸的1.5倍。反过来,周期由以下公式给出:

Λ= DOE的周期

m =衍射级

λ=波长

α= m阶衍射光束与光轴之间的夹角

在周期非常大且激光束非常小的情况下,用户可以使用与其波长和所需放大倍数匹配的扩束器来加宽输入光束。

SM激光和奇数点的仿真
SM激光和偶数点的仿真
multispot beam splitter 5x5
multispot beam splitter 4x4

公差范围

在多点的“零级”位置,不存在衍射效应,光束表现为反射定律和折射定律。

在奇数个多点中,与偶数个多点不同,“零阶”是必需输出光束之一。 在制造过程中产生的公差可能会导致零阶强度与理论模拟值稍有不同; 同样,均匀性和效率也会略有不同。 对于任何特定的设计,可以根据客户的要求将期望值提供给客户。

 

零阶标准配置:

在我们的标准多点列表中,零阶能量将显示为偶数多点的输入束能量的百分比(假设传输效率为100%),以及奇数多点的其他所需阶跃能量平均的百分比。

例子:

输入光束的能量百分比

相对强度

在上述示例中,某些制造误差后的零阶能量在多点1×6(左图)的情况下为输入光束的1.57%,在多点1×7(右图)的情况下,其他所需阶数的平均能量为74.9%。

请注意,对于具有非常大的光点数(大约> 400个光点)的原件,零阶将显示为输入光束功率的百分比,而不是相对于其他阶数的百分比。

零件编号(PN)的代码:我们元件的PN以下列格式构建:AB-000-C-D-E。

最后一个字母E(在奇数多点和三重点的情况下)是指示零阶值的代码。

选项列表:

  • A:0-100%之间的零阶
  • N:50-100%之间的零阶
  • L:0-50%之间的零阶
  • X:特定于每个多点的标准零阶
  • S:自定义零序

视频

强度分布与工作距离(靠近镜头焦平面):

我们用于完善多点的工具: