光束整形器的原理

光束整形器是一种衍射光学元件，用于将高斯（TEM00）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。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。
 
操作原理
平顶光束整形器应用中*经典的设置包括激光器，光束整形器元件，聚焦光学元件和待处理的表面。

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）
 
注意事项与限制

为了获得高质量的平顶光斑性能，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，则产生的平顶光斑的效果变差，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***比入射激光光束尺寸（1/e2）大2倍（大2.5倍*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顶光斑性能。

在设计所需的输出平顶光尺寸时，要考虑到“衍射极限（DL）”，“衍射极限（DL）”这个概念非常重要–这是*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顶光斑尺寸***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）

 

光束整形器质量因数

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。

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*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。

平顶光斑（TH）光束整形器和稳定平顶光斑（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。
 

 

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顶光斑的性能。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，但是产生的平顶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
平顶光斑形状	任何	圆形，正方形，直线，矩形
效率	95％	95％
均匀度	通常<5％	通常<10％
平顶光斑尺寸	非常精确	精确
平顶光斑形状	非常精准	准确
平顶光斑质量	与波长无关	与波长成反比
平顶光斑发散全角	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
*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）	聚焦平顶光斑尺寸<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*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）。

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。

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。

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。
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