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在激光系统中使用光学扩散器,提高光斑精度和加工效率

作者:维尔克斯  时间:2022-5-6 9:53:58

光学扩散器是一种光学元件,它可以分散传入光束的光功率,即扩散光束轮廓的光能,使能量包络比原始传入光束更平滑。

有许多类型的光学扩散器,包括全息光学元件和完美反射扩散器,但在这篇文章中,我们将重点讨论光学扩散器在高功率激光系统中的应用,即衍射扩散器和微透镜扩散器的应用。


光学扩散器在高功率激光系统中的应用

光学扩散器在高功率激光系统中的应用有许多,一些常见的应用包括。

皮肤美容激光治疗,包括去除纹身。通常情况下,这种系统中的激光器有一个不均匀的强度曲线,有可能损害病人的皮肤的热斑。这时使用一个光学扩散器并将其塑造成合适大小的平滑光斑,从而实现最佳的治疗效果。

使用大核心(>100um)多模光纤激光器进行激光焊接、激光熔覆和激光退火。在这样的应用中,经常使用多千瓦的光束,在光纤激光器准直后需要大的直径(>10mm),以避免对光学系统的损害。这些光束可以通过光学扩散器进行整形,由于其高度多模的特性且没有斑点,以达到适合某些工业过程的矩形或线状轮廓。

基于激光的深紫外光刻技术,通常采用非常高的M2准分子激光器。这种激光器往往具有不均匀或不稳定的轮廓,处理这个问题的一个常见方法是通过使用光学扩散器对光束进行整形和均匀化。在这种应用中,大多数情况下首选衍射式扩散器,因为角度往往非常小,而且往往需要绝对的角度精度。


光学扩散器设计

衍射光学扩散器的设计要考虑到扩散器要产生的理想形状和强度曲线,以及波长。

这些设计参数被送入迭代傅里叶变换分析(IFTA)算法,该算法优化模拟扩散器的相位,使其与所需轮廓的偏差最小。衍射设计是由二进制级别组成的,通常在2-16级之间。由于其多层次、高效率的设计,这种优化往往导致相位中出现光学涡流,使得生产具有挑战性,需要高精度的对准。

微透镜扩散器,通常被称为折射扩散器,通过定义透镜的间距和下垂来进行分析设计。对于圆形扩散,一些随机化因素(单元形状或透镜位置)被用来打破透镜的对称性并实现形状。

在更复杂的折射式光学扩散器中,其他类型的相位随机化通常被添加到透镜表面,以提高均匀性并减少由微透镜间距产生的有序伪影,如Holo/Or的宽带扩散器。


光学扩散器的生产

一般来说,有几种工业标准方法来生产高功率应用的光学扩散器。

光刻法生产光学扩散器,通过旋转光刻胶(如图所示),用照明图案对光刻胶进行图案化处理

二元光刻与蚀刻:对于衍射型扩散器,首选的方法是使用半导体工艺,在每个步骤中,晶圆被光刻胶涂覆,然后曝光以生成光学扩散器图案,接着使用等离子体蚀刻(RIE/ICP)将图案蚀刻到基片上。如果为了提高效率而需要多级结构,则要重复这一过程,从而在N次重复中产生2N个高度层。

灰度光刻和蚀刻:对于折射漫射器,可以使用类似于二元光刻方法的工艺,但不是二元书写,而是用灰度光刻工艺在单一书写步骤中创建透镜状结构。然后使用相同的蚀刻工艺将这种结构转移到基片上。

激光烧蚀。另一种对折射漫射器有用的方法是激光烧蚀。一束高功率的激光(通常波长为10.6um)被用来以一种可控的方式烧蚀基片,从而形成所需的折射光学扩散器结构。

激光诱导蚀刻:同样,主要用于大规模的折射扩散器,这种方法采用了可变功率激光削弱(像灰度书写,但直接在玻璃材料上)与化学湿法蚀刻的结合。被削弱的区域以更高的速度被蚀刻,从而使微透镜形状的照明轮廓转移到玻璃材料中。


光学扩散器一些常见问题

什么是光学扩散器?

光学扩散器是使光束的轮廓均匀化和平滑化的部件。有些光学扩散器(衍射扩散器)是通过透射方式工作,而其他光学扩散器(微透镜扩散器)则是以反射方式工作。


光学扩散器是如何设计的?

光学扩散器的设计是基于所需的角度、强度曲线和形状。衍射型光学扩散器针对单一波长进行优化,具有极高的角度精度,而折射型微透镜扩散器针对其材料的整个透明光谱工作,但角度精度较低。


光学扩散器是如何生产的?

有许多方法可以生产高功率光学扩散器,包括基于半导体光刻和蚀刻的方法,以及基于激光的烧蚀或激光辅助蚀刻方法。

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