激光光束整形器的应用
作者:管理员    发布于:2015-10-07 23:02:34    文字:【】【】【
摘要:维尔克斯光电是Holo/Or光束整形器在中国区的指定代理商。 Holo/Or光束整形器的典型应用包括: 激光烧蚀 激光焊接 激光钻孔,激光打孔 激光划片 激光显示,激光电视 激光医学、美学激光(景观)和娱乐激光

  维尔克斯光电是Holo/Or光束整形器在中国区的指定代理商。

 

随着现代工业的发展,很多行业都要求把激光束聚焦为强度均匀、能量平均分布的平顶激光光斑(Top hat),以便在工作面使用均匀的平顶光斑进行激光处理。

平顶光斑的边缘非常锐利,即光斑顶部能量曲线迅速地下降,仅有一个极窄的 过渡区,这样就能产生明显的激光边界,使激光处理区域和未经处理的区域非常明晰。

Holo/Or光束整形器的典型应用包括:

  • 激光烧蚀
  • 激光焊接
  • 激光钻孔,激光打孔
  • 激光划片
  • 激光显示,激光电视
  • Filters for cigarettes
  • 激光医学、美学激光(景观)和娱乐激光

 

Holo/Or光束整形器的工作原理:

激光光束整形器的基本架构如下图,包括激光光束、折射/衍射元件(折衍混合元件)和待处理表面。

1:基本结构。

光束整形器是一个相位型的衍射光学元件(DOE),其功能是将入射的高斯光束在一定的工作距离下转化为具有锐利边缘的平顶光斑。

每个光束整形器都对应一组特定的光学参数:

  1. 波长
  2. 输入光束大小(Din)
  3. 工作距离(Work Distance,简称WD)
  4. 输出光斑大小(Dout)

改变以上任何一个参数都会降低Holoor光束整形器的表现,甚至使光束整形器失效。

光束整形器设计注意事项

要达到好的光束整形效果,就应该选取单模激光输出(TEM00)M2值低于1.3。如果M2太大,可以考虑插入空间滤波器(spatial filter)以减小M2值,再配合DOE衍射光学元件使用。

空间滤波器(spatial filter)由聚焦透镜、焦平面的小孔和准直透镜组成。空间过滤孔径可减少寄生的模式,这种寄生模式会在M2很大时出现,并且降低平顶光斑的表现。使用时必须注意使用小孔径,但不能小于2倍光束衍射屏的大小。过小的孔径会产生寄生干涉图样或在输出面上产生波纹。通过调整这两个镜头的焦距,空间滤波器还可以用作光束扩展器。

2:典型的结构.

使用大的激光光束直径有两个好处。首先,大的光束直径会减小光束整形器输出公差的敏感性。其次,一个更大的输入光束将使实现更小的光斑输出,很多激光应用都希望获得很小的平顶激光光斑。

对于空间滤波器,其孔径必须大于2倍光束直径 (1/e^2),最好达到2.5倍。空间滤波器通常包括激光反射镜、光束扩展器、激光分束器和激光过滤器/隔板。

光束路径上所有光学元件都应该是高质量的,消除波面误差从而降低波束形成器性能。光学元件包括镜子应该高平面度规范,大的光束直径会减少其畸变的敏感性。

就像上面提到的,激光光束整形器要求输入准直光束。出于这个原因,以及稳定的目的,光束整形器应摆在激光束腰处。尽管如此,如果光束发散角很小(< 1º),不会对光束整形的输出质量产生明显的影响,而改变工作距离则会产生影响。

如果由于机械结构或其它限制,衍射光学元件(DOE)离束腰有一段距离,则必须在设计时考虑这个距离。否则,由此产生的波前像差会对输出光束产生干扰或生产波纹,其强度与DOE离束腰的距离和发散角有关。

设计平顶光束整形器还有一个重要原则就是要熟悉的物理限制的最小光斑大小,即衍射极限。衍射极限的公式:

 

其中:

L:工作距离

λ:波长

D:输入光束直径的大小

M2:输入激光的M2

有一个经验法则,最小激光平顶光斑的大小是衍射极限光斑的将1.55倍。如果要更精确的来看,则要确定看是普通的平顶光斑(Top-Hat)还是稳态平顶光斑(Stable Top-Hat)

 

特性:

  • 平顶光斑强度一致性:典型的±5%
  • 陡峭的过渡区:通常类似于衍射极限
  • 高功率阈值
  • 效率高:一般> 95%
  • x - y位移灵敏度: 通常5%的输入光束,保持可接受的性能。
  • 对输入光束直径:通常偏差5%可保持可接受的性能。
  • 旋转不敏感:为圆形时。
  • 工作距离灵敏度:通常小于50%的光斑大小,以保持可接受的性能。

 

平顶光斑大小与衍射极限的关系

基本规则:

  • 平顶光斑的大小不可能小于衍射极限
  • 光斑大小和衍射极限的比例决定光束整形的质量和衍射效率。大的比例会产生更尖锐的边缘
  • 光束整形器的透射区域不能<0.5 DL(衍射极限),一般为约1倍衍射极限

同样的光斑尺寸,不同的于衍射极限的比例:

典型的应用会选择传输区域(13.5 -90%)尽可能小,平顶光斑会选择较大的均匀区域。

平顶光斑的质量系数(Qth)可以定义为:

对准和光学参数误差:

光束整形器对激光系统的各个光学参数都很敏感。当设计光学部件时,包括衍射光学元件(DOE)在内的每个参数都应该照顾,以确保这些系统参数的控制和稳定。

平顶光斑输出参数取决于相对位移和不匹配的输入光束直径。因此,可以通过扩大输入光束直径来优化。例如,对于10毫米的输入光束直径,5%的不匹配对应0.5毫米容忍度,而对2毫米的光束直径, 5%对应的就只有0.1毫米公差。

 

模拟公差对光束整形的影响

激光系统的所有参数完全符合才能获得和设计性能完全一致的效果,即光束整形器位于设定的位置,入射激光为准直光束,x轴和y轴完全对准。为了说明光束整形器对不同误差参数的敏感性,下面几个图给出了一些变化规律(WD:120毫米,λ:120 nmDin:10毫米)

4:输入光束x轴或y轴是否对准对光束整形效果的影响

入射光束不是完全准直时会发生倾斜效应,即强度从高到低的斜坡。

5:工作距离偏离焦平面时的光束整形效果

* *注意上面光束整形曲线的不同行为,当位于太近时为红色曲线,太远时为绿色曲线。平顶光斑的一致性在这两种情况下都会下降。

6:输入光束尺寸误差对平顶光斑的影响

* *在图7,这给了非常相似的效果,光束直径太大两边会拉高,光束直径太小两边会降低。

平顶光斑(Top Hat)与稳态平顶光斑(Stable Top Hat)

Holoor提供平顶光斑的两种不同算法,平顶光斑(Top Hat)和稳态平顶光斑(Stable Top Hat)。普通平顶光斑的尺寸为衍射极限的5倍。稳态平顶光斑得到的最小激光光斑直径仅为衍射极限的1.5倍,同时和普通平顶光斑相比具有更好的均匀性。

下图为两种算法的等效叠加——即与光斑大小相同。

对比光束整形器和多波长光束整形器

标准的光束整形器是为某一特定的波长进行了优化,换成其他波长会影响光束整形的效果。如果用户需要应用多个波长,多色/多波长光束整形器通常将是一个更好的解决方案。多色/多波长光束整形器具有适合宽波长范围的优点,在某些情况下其成本也更低。然而, 多波长光束整形器对于光斑大小和形状控制精确性稍差。

下面你可以找到一个比较标准的对比汇总光束整形器和多波长光束整形器:

类型

标准

多色的

波长的依赖

是的

没有

材料

熔融石英,ZnSe,塑料

熔融石英、光学玻璃

平顶光斑的形状

任何

圆形,正方形,长方形,线

效率

> 95%

> 95%

均匀性

一般< 5%

一般< 10%

平顶光斑的大小

非常精确的

精确的

平顶光斑的形状

非常准确的

准确的

平顶光斑品质因数(在单位的衍射限制数量)

取决于波长

与波长成正比

平顶光斑扩散角

与波长成正比

折光率成正比

 

光束整形器的MATLAB设计工具

Holoor发表了光束整形器的MATLAB设计工具,而且是免费提供。这个用户可以自由选择波长,输入直径、光斑大小和工作距离等偏好,软件将提供一个链接快速设计模拟的报价单。

 

光束整形器设计软件

Holoor发表了一个完全免费的光束整形器的设计工具。该软件提供了任何激光光斑能量分布。设计师自由选择波长,输入直径、光斑大小和工作距离。用户可以得到一个快速设计模拟的报价单。

 

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