LBTEK 高功率匀化DOE——技术说明

一、概述

        LBTEK 高功率匀化DOE是一种基于紫外熔融石英材质制成的衍射光学元件，根据已知的入射光参数、透镜焦距以及预期出射光参数，通过点对点映射方式计算得到设计相位，最后利用表面浮雕工艺引入设计相位结构从而实现对高斯（TEM00，M2<1.3）入射光的整形和匀化。相较于液晶聚合物，紫外熔融石英具有低吸收、高损伤阈值的特性，更易兼容紫外波段下的应用场景。由于其具有高均匀度、边界锐利、高损伤阈值等优点，在激光医美、激光加工、表面处理等多种场景下具有很大的应用价值。

        高功率匀化DOE常与聚焦透镜搭配使用，为聚焦型光束整形，标品默认设计焦距f=100 mm。典型的平顶光束整形设计光路如下：

图1 典型高功率匀化DOE设计光路示意图

二、产品结构

        LBTEK 高功率匀化DOE基于紫外熔融石英材质，通过表面浮雕工艺制作而成，标准品光学件尺寸16×16 mm，通光孔径15×15 mm，均安装于外径Ø25.4 mm的配套机械外壳中，适配于标准1英寸光学元件安装镜架。产品机械外壳表面刻有LOGO及相应产品型号，如无特殊说明，刻字面一般为建议的光束入射面，便于客户在调试过程中区分使用。

图2 高功率匀化DOE结构示意图

三、参数说明

        由于出射光斑边缘存在缓变区域，所取的计算范围不同，得到的数据也大不相同，故对此产品的相关参数计算范围作出如下定义：

图3 参数定义示意图

• 衍射效率（FWHM，50%）：定义计算范围为半高宽以上的光斑；
• 出射光斑大小（FWHM，50%）：定义为半高宽处的光斑尺寸；
• 传输区域宽度（13.5%~90%）：定义计算范围为缓变区域13.5%~90%对应的宽度（a区域）。
• 不均匀度（RMS，90%）：定义计算范围为缓变区域90%以上的光强的均方根误差（b区域），计算公式为：

\[ Non-uniformity_{-RMS}=\sqrt{\sum_{1}^{N}\sum_{1}^{M}\dfrac{\left (I_{XY}-I_{avg}\right)^2}{\left(I_{avg}\right)^2\left(M\times N-1\right)}} \]

         即由目标匀化光斑范围内光强的均方根误差定义，M为匀化光斑X方向上的像素点数，N为匀化光斑Y方向上的像素点数。

四、光束整形质量关键影响因素

        LBTEK 高功率匀化DOE的实际光束整形性能与输入光束质量、光路调试状态紧密相关，若入射光参数或光路调试存在偏差，将会影响最终的整形效果。

 1. 光束质量因子M²

        M²因子被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为：实际光束束腰宽度和远场束散角的乘积比上基模高斯光束的束腰宽度和远场束散角的乘积。对于基模（TEM00）高斯光束，M² =1，光束质量最好，而实际光束通常M² >1。

        对于LBTEK 高功率匀化DOE，为保证获得较高质量的光束整形性能，激光光源应为单模（TEM00）且M²<1.3。若入射光束M²>1.3，出射光斑的形状和均匀度均会受到不同程度的影响。

        需要注意的是，影响光束M²的因素较多，对于相同数值M²的光束可能存在多种不同的情况，对应的出射光斑情况也不同，以下示例仅为典型情况。

M²=1

M²=1.5

M²=2

图4 不同M²光源对匀化效果影响仿真结果对比

 2. 光源强度分布

        若实际光源强度与基模高斯光强存在偏差，光束整形质量将会下降。下图示例中给出光源强度偏差对匀化效果影响，其中光源强度的峰值“钝化”误差可以由仿真光源模型振幅

\[ E=exp（−R/w）^{Nq} \]

近似表示，R为位置坐标，w为光源束腰半径，Nq为阶数（理想高斯基模Nq=2）。

Nq=1.6                                                                                                     Nq=1.8

Nq=2                                                                                                   Nq=2.2

Nq=2.4                                                                                                   Nq=2.6

Nq=2.8                                                                                                   Nq=3

图5 不同Nq值光源对匀化效果影响仿真结果对比

 3. 位置偏差

       在实际使用过程中，输入光束需要准直且与DOE中心对准，若入射光与DOE中心存在偏差，会影响最终的衍射效果，一般的典型公差范围如下：

     3.1 波长偏离设计影响：波长偏离设计主要体现为紫外熔融石英材质的加工深度误差，影响匀化DOE的衍射效率，过大的偏离误差会导致出射光斑零级过强而不均匀。

     3.2 X/Y偏心影响：X/Y偏心主要体现为入射光斑未通过DOE通光孔径中心，影响出射光斑的均匀度，偏心严重会导致出射光斑光强分布不均匀。

图6.1 焦面衍射强度随入射光斑单向偏移变化

图6.2 焦面衍射强度随入射光斑对角向偏移变化

     3.3 输入光束直径：入射光斑大小需要与设计光斑尺寸符合，相差大会导致出射光斑四周光强过大或过小，影响最终匀化整形效果。

图6.3 焦面衍射强度随入射光斑半径w变化

     3.4 入射光倾斜：入射光倾斜会导致等效刻蚀深度发生变化从而影响光程差，进而影响衍射效率；入射光倾斜也会导致入射光经过DOE时出现偏心而影响出射光斑均匀度。

     3.5 离焦影响：经过设计的匀化DOE，只能在设计焦面上产生预期的匀化整形光斑，若偏离焦面会导致出射光斑强度分布不均匀。

图6.4 焦面衍射强度随工作距离z变化

LBTEK 高功率匀化DOE——应用案例

激光加工

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、融化材料以及改变物体表面性能，从而实现切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微雕等各种加工工艺的一种技术。传统的高功率激光光源为高斯能量分布，能量自中心至边缘逐渐降低，这种能量分布特点容易使激光加工工艺制程中出现功率不足导致的加工边缘毛刺、表面不平整、切除不彻底等瑕疵。通过在激光加工系统中增加适用于高功率激光的匀化DOE，能够将高斯光变为中心至边缘能量分布均匀度极高的光斑，可有效避免前述加工工艺制程中的问题。下图为加入匀化DOE前后，激光对表面材料的处理效果对比，未加匀化器之前，由于激光能量集中在中心，导致中心切除较深而两边留有残余；加上匀化DOE之后，光斑能量分布均匀且可整形为需要的形状，使切面更加平整。

图1 加入匀化DOE前后切割对比示意图