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激光加工用到的衍射光学元件类型

作者:维尔克斯  时间:2020-8-12 2:26:46


        衍射光学元件已经在许多领域取得了广泛的应用。其中,激光加工是衍射光学元件的一个重要应用领域,衍射光学元件由于具有尺寸小、可设计输出光斑能量分布和损伤阈值超高的特点,可以应用于各种高端激光加工。目前激光加工用到的衍射光学元件类型主要有:光束整形器,分束器,衍射锥透镜,螺旋相位板,匀光片和多焦点长焦深。

        衍射光学元件的技术雏形是二元光学,从八十年代开始逐步实现产业化,经过多年的发展,衍射光学元件在激光加工领域的应用已经非常成熟。现在工业生产的DOE都具有高损伤阈值、高精度、高衍射效率、小尺寸、重量轻和的特点,而且在长时间的运行过程中稳定可靠,特别适合高能量密度、大功率的激光器使用。下面对常用的激光加工DOE类型进行介绍,涵盖了激光加工了90%以上的DOE应用。

 

1. 光束整形器,激光光束整形器

        激光光束整形器的作用是获得能量分布均匀、边缘锐利、具有特定形状的平顶光斑。这种光斑位于焦平面附近,尺寸一般在几十微米到几百微米的范围,光斑形状可以是圆形,矩形,正方形,直线,椭圆或定制图形,具有非常好的能量均匀性,能够实现各种高精度的激光加工应用。

激光光束整形器规格参数

材料

熔融石英, ZnSe, Plastic

波长范围

193nm to 10.6um

DOE设计

2-阶 (binary) to 16-

最小角度

很小(~1.5倍衍射极限)

衍射效率

86% - 98%

透镜/元件尺寸

几毫米 to 100mm

涂层(可选)

AR/AR Coating

定制选项

任意激光形状

光束整形器的特点:

-高度均匀性、高光效、边缘陡峭

-高损伤阈值,可以配合几千瓦甚至上万瓦的激光器使用

-衍射效率>95%

-覆盖几乎所有的工业激光器波段


光束整形器在激光加工中的应用:

-激光切割,激光划片

-激光烧蚀

-激光熔融,激光消融

-激光打孔,激光钻孔

-激光快速成型,激光3D打印


2. 分束器


激光分束器又分为一维分束器和二维分束器,在激光加工中使用较多是一维分束器。1D Beam splitter 的作用是使一束激光在某一平面上分成多束向不同角度传播的激光,配合聚焦镜后在垂直于传播方向的平面上形成多个焦点,不同光束之间的夹角相等。


一维激光光束分束器的特点



-适用于单模或多模激光输入

-熔融石英材料,高能量阈值

-衍射效率>95%

-安装简单,装配精度要求不高

-可定制输出激光光束的数量和夹角


一维激光光束分束器的应用


-激光切割,激光划片

-平行激光材料加工

-玻璃切割

-薄膜材料打孔



3. M形光束整形器

M型光束整形器一般用于激光划线或切割的加工,其作用是把入射激光整形为M波形(M-Shape),而M波形(M-Shape)指的是激光光斑沿某一方向匀速滑动,积分后的能量均匀分布,即形成一条能量均匀分布的窄直线。M-Shape激光光斑的这个特性使得其特别适用于激光材料加工。

M波形光束整形器的特点

-标准的M型输出(积分前)

-整个激光扫描线的能量均匀分布(积分后),光斑边缘锐利

-高效率,高损伤阈值,适用于大功率激光器


3. 匀光片

        匀光片又称为匀化器,作用是使激光的光束以一个较大的角度均匀发散,从而使激光能量在一个较大的范围内均匀分布。匀光片的功能和光束整形器类似,不同之处在于匀光片用于多模激光,一般形成大光斑,光束整形器用于单模激光,一般得到小光斑。

        目前,匀光片已经在激光焊接设备中取得了广泛应用。

匀光片特点

-一般用于多模激光

-易于装配,对激光的轴向性无严格要求

-可实现任意的输出光斑形状和激光光斑对称性/不对称性,可定制激光剖面强度部分

-激光光斑截面强度一致性好

 

4. 螺旋相位板,涡旋相位板

        螺旋相位板是DOE元件,其作用是产生直径较小的圆环形光斑(Vortex),光斑的外观像一个漩涡状的甜甜圈,也称为漩涡光。螺旋相位片是一种获得漩涡光的直接简单的方法,它能够方便地设计漩涡光的直径和拓扑荷数,满足用户的实际需求。

螺旋相位板的特点:

-可定制拓扑荷数

-高效率,高损伤阈值,适用于大功率激光器

-背反射能量极小

-覆盖紫外到红外的所有激光波段,193nm to 10.6um

 

5. 多焦点长焦深DOE

        长焦深DOE和多焦点DOE互为补充,特别适合于激光材料加工领域。例如激光透明材料的切割(玻璃,蓝宝石等),激光度量学,激光过程监控/监测、显微镜等。

        多焦点DOE是利用对照射到镜片不同局域的入射激光分别聚焦,在轴向传播方向上同时得到多个焦点,各焦点的能量、间距几乎相等,特别适合于深入透明材料内部加工,例如激光深度切割,隐形切割,0.1~1mm的玻璃或蓝宝石切割。

        长焦深DOE能够把入射激光在焦距附近产生一个能量近乎均匀分布、焦深的长度达几十微米到几毫米的焦点。激光焦点可拉长为原来的几十倍,且宽度基本保持不变。能量均匀的长焦深光斑特别适合对材料进行深度切割。

      

         

6.    衍射锥透镜

        在传统的应用中,衍射轴锥镜又称为圆环激光发生器(Ring Axicon),其作用是使激光光束通过后变成一个圆环,即激光能量以圆环/圆形的方式分布,这里圆环的宽度一般很窄,不同于激光涡镜头产生的光斑都具有一定宽度。

        近年来,衍射锥透镜由于能够产生性能优良的贝塞尔光束,被大量应用到玻璃切割领域

衍射锥透镜特点:

-高损伤阈值,适用于大功率激光器

-小尺寸衍射光学元件,结构紧凑

-大角度和小角度均可提供

-可提供正向负向轴棱镜

-覆盖紫外到红外的所有激光波段,193nm to 10.6um

-可选镀增透膜

衍射锥透镜应用:

-激光加热

-激光玻璃切割

-太阳能集中器

-光学相干断层成像


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