LBTEK 聚合物匀化DOE是一种基于衍射光学原理设计的平板光学元件，由液晶聚合物（LCP）薄膜和两片N-BK7窗口片或UVFS窗口片组成。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LCP薄膜引入设计好的几何相位分布实现对高斯（TEM00，M2<1.3）入射光的整形和匀化。由于其具有高均匀度、高透过率、高损伤阈值、边界锐利等优点，在激光医美、激光加工、表面处理等多种场景中具有很大的应用前景。与传统折射型匀化器件相比，聚合物匀化DOE具有平片结构易集成、能量利用率高、参数设计灵活等优点；与阵列式透镜相位匀化器相比，聚合物匀化DOE单片可实现很好的匀光效果，整形输出光斑边界更加锐利，同时对于入射光的参数要求高。聚合物匀化DOE常与聚焦透镜一起使用以达到更为灵活的整形匀化，因此我们的标品均为聚焦型光束整形，与标准透镜（默认f=100 mm）搭配使用，工作波长有532、1064 nm可选，输出光斑有方型、圆型、一字线型可选，元件基底有N-BK7玻璃、紫外熔融石英玻璃可选。除了标准产品外，LBTEK 还提供参数规格的灵活定制，具体定制需求，请联系LBTEK技术支持。
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入射光斑质量
M2<1.3 |
入射光偏心（XY位移）
±5 %（×入射光斑直径） |
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入射光斑偏振态
均匀偏振态 |
入射光倾斜
±5 ° |
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不均匀度（RMS）
<10 % |
衍射效率（FWHM）
>90 % |
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注：上述均匀度及衍射效率误差曲线均以532 nm的产品为例，从图中可以看出，当入射光斑的尺寸不符、入射位置偏离中心以及工作面离焦时，DOE匀化器的出射匀化效果会变差，因此务必确保使用条件遵循产品要求，同时此变化趋势在工作波长为1064nm的标品下同样适用。为了更明确的看到出射光斑随误差变化，可以参考技术说明页面动图。
LBTEK 聚合物匀化DOE是一种基于衍射光学原理设计的平板光学元件，由液晶聚合物（LCP）薄膜和双片N-BK7窗口片或UVFS窗口片组成。通过已知的入射光参数、透镜焦距以及预期出射光参数，利用点对点映射方式计算得到设计相位，再用LCP薄膜引入设计好的几何相位分布实现对高斯（TEM00，M2<1.3）入射光的整形和匀化。整形输出光斑的形状有方型、圆型、一字线型等，也可以实现各种输出光斑尺寸。由于其具有高均匀度、高透过率、高损伤阈值、边界锐利、设计灵活等优点，在激光医美、激光加工、表面处理等多种场景中具有很大的应用前景。
聚合物匀化DOE常与聚焦透镜一起使用以达到更为灵活的整形匀化，因此我们的标品均为聚焦型光束整形，与标准透镜（默认f=100 mm）搭配使用。聚合物匀化DOE的相位由设计参数决定，通过计算机辅助的数值优化方法得到，典型的方型平顶光束整形的应用设置如下：
图1-1 方型聚合物匀化DOE设计光路图
聚合物匀化DOE相位设计需要的参数有：
1. 对于一般形状（方型、圆型、一字线型）衍射效率>90 %；
2. 对于一般形状（方型、圆型、一字线型）不均匀度通常<10 %；
3. 高能量阈值/高损伤阈值；
4. 平顶光束尺寸准确，边界锐利；
5. 工作波长以及整形光束形状、尺寸可设计。
1. 可实现的整形光束尺寸范围
\[ \tan\left(\dfrac{\theta}{2}\right)=\dfrac{\lambda}{2\Delta} \]
目前我们的最小工艺精度\( \Delta \) （即单个最小像素）可以做到5μm，整形光束的最大尺寸不能超过最大衍射全角计算出的范围，一般定在全角范围的1/4。
\( DL=M^2\dfrac{4EFL\lambda}{\pi D} \)
其中M2 为输入激光质量参数，EFL为透镜有效焦距，D为输入光束尺寸，λ为工作波长。整形光束的最小尺寸至少为衍射极限光斑尺寸的1.5倍，接近衍射极限的整形光斑边界锐利度会降低。
2. 偏振相关特性
图2-1 匀光面附近光在Z方向的传播情况图（YZ剖面）
(a) 均匀偏振光入射（线偏光或圆偏光）均可实现匀化整形效果；
(b) 若入射光为圆偏振光，则出射光为旋向相反的圆偏振光，出射的均匀光斑偏振态相同；
(c) 若入射光为线偏振光，则出射光为矢量偏振光，偏振方向取决于液晶聚合物快轴的取向角，出射的均匀光斑偏振态不相同。
(a) 整形形状为对称图形时，线偏光和圆偏光入射均可以实现相同整形效果，线偏光入射得到的整形光斑内部的偏振态不一致；
(b) 整形形状为非对称图形时，线偏光入射将得到图形正像和翻转像叠加的像，左旋圆偏光和右旋圆偏光入射将分别得到正像和翻转像。
3. 光束整形质量
\( Non-uniformity_{-RMS}=\sqrt{\sum_{1}^{N}\sum_{1}^{M}\dfrac{\left (I_{XY}-I_{avg}\right)^2}{\left(I_{avg}\right)^2\left(M\times N-1\right)}} \)
即由目标图形范围内光强的均方根误差定义。
| 波长偏离设计 | ±5 nm |
| XY位移（偏心） | ±5 %×输入光束直径 |
| 输入光束直径 | ±5 % |
| 入射光倾斜 | ±5 ° |
| 离焦范围 | ±50 ％×焦点整形光斑尺寸 |
(a) 波长偏离设计影响：波长偏离设计主要体现在液晶聚合物薄膜的镀膜延迟量误差，影响聚合物匀化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。
(b) 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，影响衍射光斑的均匀度，偏心严重会导致出射光斑光强分布不均匀。
图3-1 焦面衍射强度随入射光斑单向偏移变化
图3-2 焦面衍射强度随入射光斑对角向偏移变化
(c) 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3-3 焦面衍射强度随入射光斑半径w变化
(d) 入射光倾斜：入射光斑倾斜会导致入射光经过的液晶聚合物膜层厚度增加，使延迟量发生变化从而影响衍射效率；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。
(e) 离焦影响：经过设计的聚合物匀化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3-4 焦面衍射强度随工作距离z变化
四、参数定义说明
1. 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4-1 参数定义示意图
2. 损伤阈值
基于LCP材料的短波强吸收特性，聚合物匀化DOE的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。LBTEK 聚合物匀化DOE的损伤阈值参考值为：
| LBTEK 聚合物匀化DOE组装应用图 | ① 60 mm同轴系统XY位移旋转调整架 TXYR1×1 | ② 聚合物匀化DOE DOE25-532-6-FTS50×1 |
| ③ SM1卡环 SMIR×1 | ④ SM1卡环扳手 OWR-1A×1 |
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DOE匀化器，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DOE匀化器前后，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DOE匀化器之后，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 加入聚合物匀化DOE前后切割对比示意图
| 聚合物匀化DOE定制能力参数表 | |||
| 项目 | 范围 | ||
| 外观形态 | 机械外壳 |
有/无 SM05/SM1/SM2透镜套筒/其他定制外壳 |
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| 玻璃基片材质 | N-BK7/UVFS/其他材质 | ||
| 增透膜 |
Ravg<0.5 %@400-700 nm Ravg<0.5 %@700-1100 nm Ravg<0.5 %@1100-1700 nm 用户自定义增透膜 |
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| 尺寸规格 | 基片几何形状 | 支持多种异形切割（D型、圆型、多边型） | |
| 基片尺寸 | 3-25.4 mm（直径或内接正方形） | ||
| 通光孔径 | 方型/圆型（一般为入射光斑直径的2.5倍以上） | ||
| 光学参数 | 入射光斑 | 波长 | 400-1700 nm |
| 尺寸 | 用户可根据需求自定义 | ||
| 质量 | TEM00，M2<1.3 | ||
| 偏振态 | 均匀偏振态（圆偏光、线偏光、椭偏光等） | ||
| DOE参数 | 设计波长 | 400-1700 nm（与入射光波长一致） | |
| 延迟量 | λ/2 | ||
| 最小像素精度 | 5 μm | ||
| 透过率 |
>85 %~95 %@400-450 nm >96 %@450-1700 nm |
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| 有效透镜焦距/工作距离 | EFL/z | 用户可根据需求自定义（有/无） | |
| 出射光斑 | 尺寸 | 用户可根据需求自定义 | |
| 形状 | 方型/圆型/一字线型/其它形状 | ||
| 衍射效率 | >90 % | ||
| 不均匀度 | <10 % | ||
| 传输区域宽度 | 一般大于0.5 DL（衍射极限） | ||
为了获得高质量匀化整形光斑，应遵循以下设计原则：
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若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK技术支持详询！
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度1.6 mm的N-BK7窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为方型均匀光斑。产品未安装机械外壳，元件一侧带有D型切边，与出射方型光斑的一条边平行，方便客户安装使用。
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度1.6 mm的N-BK7窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为圆型均匀光斑。产品未安装机械外壳，元件一侧带有D型切边，方便客户安装使用。
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度1.6 mm的N-BK7窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为一字线型均匀光斑，线长为设计长度，线宽为衍射极限。产品未安装机械外壳，元件一侧带有D型切边，与出射的一字线型光斑平行，方便客户安装使用。
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度3 mm的熔融石英窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为方型均匀光斑。熔融石英基底的DOE匀化器相比于N-BK7基底的DOE匀化器，更适用于高功率激光应用。
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度3 mm的N-BK7窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为圆型均匀光斑。熔融石英基底的DOE匀化器相比于N-BK7基底的DOE匀化器，更适用于高功率激光应用。
LBTEK 聚合物匀化DOE制作于厚度3 mm的N-BK7窗口片上，双层衬底加单层液晶聚合物薄膜，在整个通光孔径内具有相同的λ/2延迟量，可将入射的TEM00高斯光整形匀化为一字线型均匀光斑，线长为设计长度，线宽为衍射极限。熔融石英基底的DOE匀化器相比于N-BK7基底的DOE匀化器，更适用于高功率激光应用。
