超短激光镜片超快激光对光束整形、平顶整形的影响研究

超快激光光束整形，飞秒激光整形镜片，超短脉冲对DOE的影响



基本知识
衍射光学元件提供灵活性的系统配置方面，对于许多应用可以产生特的光学功能, 这些是不可能使用传统的反射或折射光学元件实现的。衍射光学DOE 元件的优势, 包括小尺寸, 多个功能集成到单个镜片, 高角度精度, 低厚度, 和折射解决方案相比具有更小的时间色散

超快激光用于光束整形元件（DOE）的研究

以色列Holoor的工程师用光学仿真工具全面分析了超短激光脉冲如何影响衍射光学元件的光束整形特性和性能，中国区总代理维尔克斯光电进行了初步整理并和大家分享，如有纰漏，欢迎指正。
超短脉冲 (USP, ultra short pulse) 激光器，又称为超快快激光，由于其在工业使用中变得更加普遍, 使用衍射光学元件 (DOE) 的光束整形应用变得更具挑战性, 特别是在当下，纳秒脉冲UPS 激光器被更快速的飞秒设备取代的阶段。


DOE的操作原理非常简单: 对于准直输入光束, 输出光束以预先设计的分离角度和强度离开DOE。利用光束整形器, 将激光光束聚焦到设计的尺寸和形状。常见的应用包括医疗系统, 计量学（质谱仪）和科学/研究应用程序，特别是, 激光光束整形和均匀化技术是材料加工领域的技术。
虽然能够集成多种功能而且性能稳定，但是衍射元件的功能强烈依赖于光的波长。在使用USP 激光器时会尤其要注意, 因为它们的脉冲持续时间很短, 因此可能具有异常的频谱特性。由于操作波长不同于设计 DOE 的标称范围, 所以 USP 的宽光谱区域会影响光束整形。这就使得有必要预测输出光斑的形状在使用波长范围而不是单个波长时的表现。

根据傅里叶理论, 在时域中, 脉冲持续时间越短, 频谱宽度越大。这就导致了 USP 激光器呈现时间色散效应。对于一个 800 nm 中心的高斯脉冲, 典型的脉冲展宽将Δλ = 1 nm 为 1000 fs 脉冲和Δλ = 10 nm 为 100 fs 脉冲。

激光整形和分束

有两个主要系列的 DOE 产品: 分束和光束整形。分束镜是用来分裂一个单一的激光光束成几束不同的功率的激光沿着不同角度的传播。分可以产生 one-dimensional 光束阵列 (1 x n) 或 two-dimensional 光束矩阵 (M x n), 这取决于在DOE表面的衍射模式。光学分束用于单色光源, 设计用于输出光束之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在特定工作平面上具有锐边的圆、矩形、正方形、线或其他形状的均匀强度光斑。采用光束整形器实现均匀的强度分布, 使表面得到均匀的处理, 防止工件上的不必要的激光辐射。此外, 该元件的特点是一个尖锐的过渡区, 创造了明确的激光处理和未处理的边界。光束整形包括平顶光斑, 漩涡透镜 (螺旋相位板), 和衍射轴锥镜axicons。
分束镜和光束整形器可用于多模 (MM) 或单模 (SM) 输入光束, 并可与大功率激光系统操作, 因为其材料的高损伤阈值, 镜片材料包括熔融二氧化硅, 锌例如, 硒化 (ZnSe) 和蓝宝石。

超短脉冲激光对光束整形的影响

当通过具有周期性的光栅状结构的分束 DOE 发射极短的少量飞脉冲的 USP 激光光时, 可以观察到许多不同的现象, 包括椭圆形而不是圆形的光斑形状, 光斑大小的变化, 和零级光斑能量的变化。
分束 DOE 是为标称波长λ1设计和制造的。它的相位在空间中被复制, 从而形成周期性的光栅结构。当使用不同的波长λ2时, 衍射角度根据光栅方程而变化。

对于小衍射角θ (< 12 °), 衍射角与相应波长之间的关系定义为:
Δd = ƒ·(θλ1 - θλ2) = ƒ·θ1 · (1 λ1 /λ2)
在这里, Δd是λ的点中心的偏差λ1和λ2, ƒ是使用中的透镜的焦距, 而θλi是波长λi的衍射角度。根据方程, 每个波长将有一个不同的衍射角度，对应的光斑将移动到一个稍微不同的位置。如果中心偏差与焦平面的光斑大小数值相近, 则该点变为椭圆形。
这里椭圆将是更大的波长范围 (或更短的脉冲持续时间), 因为每个波长的脉冲频谱将有一个略有不同的衍射角度。


我们也知道, DOE的零阶 (未经过衍射的光) 是波长依赖性的, 这意味着它将增加, 同时使用一个标称波长的比例。因此, 在使用 USP 时, 我们可以期待一个明显的零级亮点。
利用 VirtualLab 模拟, 维尔克斯光电和HoloOr研究了 USP 对各种类型的影响。对于每个 DOE, 都准备了一个光学装置, 其中包括一个高斯源 (带有单个波长或波长频谱)、DOE、消色差聚焦透镜和一个虚拟屏幕, 以查看位于焦点平面上的结果。然后, 通过使用经典的射线跟踪传播--远场物理光学传播工具--的设置传播光线。为了演示目的, 我们还选择不同的输入光束直径来强调可能的结果。
也称为螺旋相位板，涡旋透镜将高斯输入剖面转换为圆环形或方形的能量环。涡流透镜的典型应用包括光学俘获、光通信、量子光学和高分辨率显微镜。
螺旋相板是一种特的光学元件, 其结构完全由螺旋组成, 目的是控制发射光束的相位。它的拓扑电荷, 在文献中表示为m, 指的是在一个360°旋转的衍射表面上蚀刻的周期 (楼梯) 的数量。

超短脉冲激光对衍射轴锥镜 axicons的影响
衍射锥镜将激光光束转换成环形形状 (近场的贝塞尔强度剖面)。它还可以将点源图像沿光轴旋转一条直线, 并增加焦点的深度。由于其特的特性, 衍射棱锥用于许多应用领域, 如原子阱、望远镜和激光钻孔。
与涡旋透镜一样, 衍射棱锥输出显示输入脉冲为高斯或超短的变化不大 (见图 2)。VirtualLab 模拟和实验实践表明, 超短脉冲激光和普通激光获得类似的结果，并没有改变的大小和形状的斑点。

超短脉冲激光对平顶整形的影响

平顶整形器用于将近高斯入射的激光光束转换为在特定工作平面上具有锐边的圆形、矩形、正方形、直线或其他形状的均匀强度 (平坦) 光斑。典型的应用主要是激光材料加工, 包括激光熔融、剥离、焊接、激光显示、香烟过滤器、医学和美学激光应用。
对于的光束整形器的性能, 激光输出应 single-moded (TEM00), 并在M2<1.3。使用这种类型的顶帽 DOE, USP 激光输入会导致形状点尺寸的微小变化 (见图 3)。这种变化与光谱制度的变化是一致的, 这意味着变化只发生在点的边缘 (我们称之为 DOE 的过渡区), 而不是在平顶光斑的中心。

超短脉冲激光对多点分束镜的影响
对于 1 x 2 分 (双点), 使用具有周期性结构的光栅 DOE。一般而言, 分用于许多应用领域, 包括光刻、穿孔、精切、打标等材料的加工应用。

另一个效应是增加的零级强度, 正如前面所讨论的, 是波长依赖性的。在操作与设计的标称波长不同的 DOE 时, 我们总是可以期望在模式中观察到零点。这个效应对于偶数点来说更为重要, 在这种情况下, 零序不是模式的一部分 (相对于奇数点)。
从模拟结果来看, 除非脉冲是非常短的 (几fs), USP 激光输入对大多数类型的作用几乎没有影响。尽管如此, 还考虑到 USP 激光器的光束质量。对于多模激光器, M2参数比单模激光器高, 从而减少了光束的斑点, 并掩盖了大分的椭圆效果。输入光束的椭圆可能会影响输出光斑的形状 (光斑形状变得比圆形更椭圆), 而光束直径对光斑大小和分离角度有影响。