光学衍射元件DOE在超快激光器中使用的注意事项

DOE基本原理
对于许多应用来说，可以使用传统的反射或折射光学元件来产生独特的光学功能，而衍射光学元件DOE提供了系统配置方面的灵活性。和折射元件相比，DOE的优点包括体积小，单个元件的多功能性，高角度精度，低厚度，和较少的时间色散。
DOE的操作原理是相当简单的: 对于一个准直的输入光束，通过DOE后，光束按照预先设计的分离角度和强度输出。在一般情况下，输出激光束聚焦于设计的工作距离，得到特定的光斑形状和尺寸。目前DOE常见的应用包括医疗仪器、计量学和科学/研究应用，特别是激光光束整形、分束和匀化技术对材料加工来说是必不可少的。
虽然DOE能够实现多种功能并且具有很好的稳定性，但它们的性能强烈地依赖于光的波长。在使用超快激光器时，这引起了人们的担忧，因为它们的短脉冲持续时间可能会有不同寻常的光谱特性。由于实际使用波长和设计波长不同，超脉冲的宽光谱范围可以影响输出光束的参数。这使得我们有必要预测在使用一个波长范围而不是单一波长时，预先知道输出光斑的形状和如何变化的。
根据傅里叶理论，时域的脉冲持续时间越短，频率域的光谱宽度就越大。这导致超快脉冲激光显示时间色度色散效应。以800纳米的高斯脉冲为例，典型1000fs的脉冲展宽为Δλ= 1 nm，而100fs的脉冲光谱将展宽为Δλ= 10 nm。
 
维尔克斯光电采用专用的DOE光学模拟工具，研究了超脉冲激光器对DOE功能的影响。我们的光学模拟工具可以很好地仿真包括激光分束器和光束整形器的众多DOE元件。模拟结果显示，虽然对大多数光束整形器，飞秒激光的光谱展宽的影响可以忽略不计，但部分基于光栅的DOE还是受到了明显的影响，例如高角度光束分束器可以看到显著的和不受欢迎的额外彩色效果。
 
常用的DOE元件类型
*常用的两种类型的DOE 产品是光束整形镜和激光分束镜。激光分束器是用来把单一波长（频率）的光源分裂成几束不同的波长（频率）和发射角度的激光。激光分束器分可以产生一维的光束阵列 (1 x N)或二维的光束矩阵 (M x N), 这取决于衍射元件表面上的微结构。激光分束器通常被用于对单一波长的光源, 也被设计用于在输出光束间的特定波长和分离角度。
光束整形器用于将近高斯入射的激光光束，转换为边沿锐利，能量强度均匀的光斑，形状可为圆形、矩形、正方形、线或其他形状。利用其能量分布均匀的特点，用户可以进行表面均匀的处理，防止在工件上暴露过度或曝光不足。此外，加工区域和非加工局域有一个明显的分界线，在处理的和未处理的区域之间建立了一个清晰的边界。光束形状器包括均质器、匀化器、平顶整形、螺旋型相片和衍射轴锥镜。
激光分束器和光束整形器可以与多模式(MM)或单模(SM)输入光束一起使用，可以用于高功率激光系统，因为它们都是用高损伤阈值的材料制造的，例如熔融石英、锌硒化物(ZnSe)和蓝宝石。
 
超快激光对光束整形器的影响 Beam shaper
光束整形器的作用是在某一特定工作平面内，将近高斯入射激光束转换成圆形、矩形、正方形、直线或其他形状的均匀强度(平坦)的光斑。典型应用主要是激光材料加工，包括激光烧蚀、焊接和激光显示器、卷烟过滤器、医和美学激光应用。
对于高质量的光束整形器，要求入射光斑应该是单模(TEM00)，M2值小于1.3。飞秒激光导致的输出平顶光斑的变化见下图。这种变化是为了与光谱范围的变化保持一致,这意味着变化只在边缘的地方(我们称之为DOE过渡区)的地区转移,而中心的平顶光斑能量分布无明显变化。