光束整形器的原理，平**光束整形器应用手册

光束整形器是一种衍射光学元件，现如今在很多领域广泛使用，较常用于激光加工，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。

操作原理
平**光束整形器应用中较经典的设置（图1）包括激光器，光束整形器元件，聚焦光学元件和待处理的表面。
 
图1
每个平**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）


注意事项与限制
 为了获得高质量的平**光斑性能，入射激光要准直射入，模式应为单模（TEM00）且M2值小于具体规格的要求，一般要求M²＜1.3。如果M²值变大，则产生的平**光斑的效果变差，这种情况下需要引入光阑、准直系统或空间滤波器对入射激光进行调整。
 光束路径中的所有孔径必须至少比入射激光光束尺寸（1/e2）大2倍（大2.5倍较佳），因为太小的孔径会在输出光斑上产生干涉图样或波纹。这些孔径通常包括平面镜（用于光束折叠或扫描），扩束器，激光分束器和聚焦光学器件。
 光束路径中的所有光学器件应具有高质量，即具有低像差水平，以免增加波前误差并降低平**光斑性能。
 在设计所需的输出平**光尺寸时，要考虑到“衍射极限（DL）”，“衍射极限（DL）”这个概念非常重要–这是较小输出光斑尺寸的物理光学极限，即如果从系统中删除了光束整形器，理想的输出光斑尺寸就是衍射极限光斑的尺寸。根据经验，光束整形器的输出平**光斑尺寸至少为如下公式定义的衍射极限光斑尺寸的1.5倍（对于M 2 = 1）。
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。




光束整形器质量因数
一些基本规则：
 平**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。
图2为不同DL与相同平**光斑尺寸的示例。
 
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**光斑轮廓必须具有较大的相对平坦尺寸，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**光斑尺寸与DL的比值，公式如下：
 


平**光斑（TH）光束整形器和稳定平**光斑（ST）光束整形器类型的比较
Holo / Or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**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


光束整形器和多色光光束整形器的比较
标准的光束整形器针对特定的波长进行了优化，使用其他波长将影响输出平**光斑的性能。如果客户的应用需要多色光源，则使用多色光光束整形器（ polychromatic beam shaper ）通常是更好的解决方案。多色光光束整形器可在很宽的波长范围内正常工作，但是产生的平**光斑尺寸和形状准确度较低对比标准的光束整形器。


下表是标准光束整形器和多色光光束整形器之间的比较表
类型 标准光束整形器 多色光光束整形器
入射激光波长限制 有 没有
材料 熔融石英，硒化锌，塑料 熔融石英，锗
平**光斑形状 任何 圆形，正方形，直线，矩形
效率 > 95％ > 95％
均匀度 通常<5％ 通常<10％
平**光斑尺寸 非常精确 精确
平**光斑形状 非常精准 准确
平**光斑质量 与波长无关 与波长成反比
平**光斑发散全角 与波长成比例 与折射率成正比
表1
光束整形器普遍的规格
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
较小全角 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
典型的光束整形器的公差表
入射激光波长设计 ±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**光斑尺寸<50％
表3
公差对光束整形器的影响
在上述公差表范围内使用光束整形器将获得较佳性能。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**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**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
有趣的是，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。
我们已经发布了在Zemax中建模光束整形器的教程，如有疑问请和我们的技术工程师联系。



http://welloptics.cn.b2b168.com