作者:维尔克斯光电 时间:2020-8-13 14:16:11
光束整形器可以将高斯入射激光束转换成圆形,矩形,正方形,直线或其他自定义的形状。即使改变脉冲能量,平顶光斑都可以保持相同的有效面积。光束整形器产生的平顶光斑常用于激光加工,可以防止特定区域过度曝光或曝光不足,光束整形器的典型应用包括:裁切,烧蚀,打孔,划线,退火,医学和美学,显微镜和科学,光片细胞计数等。任何细微的偏差都会对光束整形器使用效果有影响,这篇光束整形器使用手册能够帮助用户更快捷地完成安装调试。
光束整形器使用原理
光束整形器应用中最经典的设置如下图。包括激光器,光束整形器元件,聚焦光学元件和工作面。
图1
每个平顶光束整形器用一组特定的光学系统参数来设计:
1.入射激光波长 2.工作距离(EFL) 3.入射激光光束尺寸(D) 4.输出光斑尺寸(d)
光束整形使用注意事项与限制
衍射极限光斑尺寸的公式:
其中:L为聚焦光学器件的有效焦距,λ为入射激光波长,D为入射激光光束尺寸,M2为入射激光束质量参数。
光束整形器效果的一些基本规则:
- 平顶光斑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。
- 光束整形器的过渡区不能小于0.5 DL,通常约为1 DL。
以衍射极限为尺度,下图为不同大小的平顶光斑能量分布示意图。
图2
通常,应用要求过渡区(能量峰值的13.5-90%)尽可能小,并且平顶光斑轮廓必须具有最大的相对平坦尺寸,即均匀区域大小。随着DL的减小,成型质量提高,从而减少了“浪费”的能量。
因此,质量(Qth)参数定义为平顶光斑尺寸与DL的比值,公式如下:
工业上使用两种不同的算法来设计光束整形器,这两种算法各有其优势。原始的TH算法比ST算法具有更高的一致性。TH元件仅限于设计直线,矩形,正方形或圆形等基本光斑形状,ST设计基于计算机辅助的数值优化设计,可以实现任意的光斑形状和强度分布的轮廓。TH元件具有较大的过渡区,比ST元件的过渡区大两倍,但散焦性能更好。
图3是典型TH / ST与等效设计叠加的比较图-例如,90%相似性的输出光斑尺寸。
图3
光束整形器的一般规格
材料 |
熔融石英,硒化锌,硫化锌,锗,硅,塑料 |
波长范围 |
193nm至10.6um |
DOE设计 |
2级(二进制)到16级(或灰度)(灰度) |
多色设计 |
连续自由曲面 |
类型 |
透射或反射 |
最小全角 |
非常小(约为衍射极限尺寸1.5倍对应的角度) |
效率 |
高达99% |
DOE尺寸 |
3 – 150毫米 |
涂层(可选) |
增透膜 |
定制设计 |
任何形状 |
表2
入射激光波长设 |
±2% |
X-Y偏心位移 |
入射激光直径±5% |
倾斜 |
±5%度 |
入射激光直径 |
±5% |
入射激光椭圆度 |
5% |
工作距离(散焦) |
聚焦平顶光斑尺寸<50% |
表3
下面是本文——光束整形器使用手册的重点,讨论入射光束直径,入射高斯光束的位置和工作距离的偏差对光束整形器效果的影响。
在公差表范围内使用光束整形器将获得设计的性能。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的图形(工作距离WD:120mm,入射激光波长λ:532nm,入射光束尺寸Din:10mm)。
图4为输入光束的x轴或y轴偏心位移对输出光斑的影响
图4
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。
图5为工作距离(散焦)对输出光斑的影响
图5
请注意,当工作距离减小(紫色曲线),或者工作距离增加(绿色曲线)时,其行为表现不同。在这两种情况下,均匀度都会下降,而增加工作距离的情况会在平顶光斑的边缘出现狭窄的峰(像“狗耳朵”),而缩短工作距离的情况则会使输出光斑边缘更圆滑。
图6为入射激光直径对输出光斑的影响
图6
设置入射光束直径时应完全参照规格书的要求。在图6中产生了与图5非常相似的效果。太大的光束直径和更大的工作距离之间存在明显的平行关系。“狗耳朵”的效果是相同的。