Введение
Гомогенизатор излучения преобразует одномодовый или многомодовый входной пучок в пучок с равномерным распределением интенсивности. Дифракционный оптический рассеиватель Holo/Or в основном используется для гомогенизации мощного лазерного излучения. Использование гомогенизатора позволяет получать пятно с острыми краями, при этом сохраняется высокая эффективность излучения. Распространенные формы: круглая, квадратная, прямоугольная, эллиптическая и шестиугольная, однако с помощью гомогенизатора можно получить практически любую форму изображения. Также можно отрегулировать распределение интенсивности.
Функции и приложения оптических рассеивателей
Приложения:
Общий принцип действия
Пучок, проходящий через оптический гомогенизатор, дифрагирует и расщепляется на лучи, распространяющиеся в полуслучайных направлениях. В фокальной плоскости формируется изображение поперечного сечения лазерного пучка: изображение может иметь любую желаемую геометрическую форму и симметрию, профиль интенсивности. Результат действия диффузора зависит от параметров падающего излучения.
Дифракционные оптические диффузоры удобно использовать с источниками, излучающими пучки с произвольным распределением интенсивности. На рисунке 1 приведены примеры выходного распределения интенсивности.
Рисунок 1. Примеры выходного профиля лазерного излучения
Принцип работы и конструктивные особенности
1. Для выбора дифракционного диффузора необходимо знать следующие параметры:
2. Дифракционные диффузоры изготавливают в виде оптических окон. Поскольку дифракционный оптический элемент характеризуется углом рассеивания, при заказе важно указать размер изображения в фокальной плоскости в соответствии с фокусирующей оптикой. Обычно схема включает лазер, гомогенизатор и фокусирующую линзу, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема действия оптического гомогенизатора излучения
3. Оптические параметры диффузора легко рассчитываются геометрически:
4. Holo/Or разрабатывает также комбинированные решения, когда гомогенизатор и фокусирующая линза сочетаются в одном гибридном элементе. Дифракционный узор вытравливается на плоской стороне фокусирующей плосковыпуклой линзы. К преимуществам этого решения можно отнести меньшее количество оптических поверхностей, компактные размеры и малый вес.
5. Минимальный угол рассеяния примерно в 5-10 раз превышает дифракционный предел. Рассчитать размер пятна с ограничением по дифракции можно по следующей формуле:
Где L - рабочее расстояние, λ - длина волны, D - диаметр входного пучка, M2 - фактор пучка.
6. Края пятна обычно крутые и четкие. Соотношение между входным углом расходимости и углом рассеяния определяет отношение переходной к однородной области выходного пучка.
7. Рекомендуется поддерживать фактор входного пучка (1/e2) на уровне ниже 67% от чистой апертуры, чтобы поддерживать высокую энергоэффективность. Это обеспечит пропускную способность 99% энергии, чтобы получить распределение интенсивности по Гауссу.
8. Дополнительно улучшить характеристики однородности можно за счет использования входного излучения с более высоким фактором М2.
Таблица 1. Формирование профиля пучка: одномодовое и многомодовое излучение
|
Одномодовое излучение (TEM00) |
Мультимодовое излучение |
Четкость изображение |
Хорошая |
Хорошая |
Однородность |
Спекл-структура |
Высокая |
Плотность интенсивности |
Хорошая |
Очень хорошая |
Переходная область |
Широкая |
Узкая |
Эффективность |
Зависит от конфигурации |
|
Выходное изображение |
|
|
Распределение интенсивности |
|
|
В таблице 2 можно наблюдать влияние на форму выходного пятна при разном значении М2 (от меньшего к большему):
1. Размываются края пятна
2. Уменьшается число спеклов, и профиль интенсивности становится более однородным
Таблица 2. Зависимость формы пятна в фокальной плоскости от фактора пучка
Диффузоры с высокой однородностью (серии RH/HH/XH)
Компания Holo/Or разработала новую серию гомогенизаторов с улучшенными характеристиками, позволяющие достигать высокой однородности (однородность можно определить как среднюю интенсивность на единицу площади).
В конструкции ДОЭ этой серии включены две дифракционные поверхности. Первая снижает когерентность падающего луча, а вторая поверхность формирует луч.
Преимущества и недостатки серии HH по сравнению с серией HM показаны в таблице ниже:
Таблица 3. Преимущества и недостатки диффузоров НН и НМ
Параметр |
HH vs. HM |
Однородность |
Выше |
Эффективность |
Немного ниже |
Эффекты нулевого порядка |
Значительно ниже |
Переходная область |
Широкая |
Рисунок 3. Изображения, получаемые с помощью диффузором серий НМ и НН
Пример приложения – оптическая схема с мультимодовым оптоволокном
На приведенной ниже оптической схеме показан лазер, подключенный к оптическому волокну для передачи излучения. Таким образом достигается равномерное распределение интенсивности в дальней зоне, или в фокальной плоскости при наличии фокусирующей линзы.
Количество мод на выходе пропорционально длине волокна и диаметру сердцевины. Каждая мода на выходе волокна будет проходить через дифракционный гомогенизатор, создавая интерференционную картину в фокальной плоскости. Однако, в отличие от одномодового излучения, многомодовое содержит несколько колебательных мод, которые накладываются друг на друга. В фокальной плоскости это создает хорошо усредненный однородный выходной сигнал.
Рисунок 4. Схема получения пятна с ограничением по дифракции требуемой формы
Безопасность
Рекомендации при работе с лазерным излучением
Обслуживание:
Используйте перчатки |
Не допускайте механических повреждений |
Не допускайте химического воздействия |
Беречь от пыли |
|
|
|
|
Механическая чувствительность и допуски
Таблица 4. Точность и чувствительность юстировочных подвижек
Параметр |
Влияние |
Комментарий |
Z-перемещение (вдоль опт.оси) |
Незначительное |
Пока все дифрагированные лучи падают на фокусирующую линзу |
X-Y перемещение |
Незначительное |
|
Сдвиг по X,Y |
Растут эффекты нулевого порядка |
|
Сдвиг по Z |
Незначительное |
Поворот изображения |
Размер падающего пучка |
Незначительное |
Выше минимально допустимого, указанного в спецификации |
Поляризация |
Незначительное |
|
Часто задаваемые вопросы
Q: В чем отличие формирователя пучка Top-Hat и диффузора оптического излучения?
A: Сравнительная таблица формирователей и диффузоров серии HM:
Параметр |
Формирователь пучка |
Диффузор |
Падающий пучок |
M2 <1.3(TEM00) |
Любой |
Геометрия выходного пучка |
Любой |
Любой |
Точность формы |
Безупречная |
Хорошая |
Однородность |
Очень высокая |
Зависит от параметров падающего пучка, растет пропорционально с М2 |
Переходная зона |
<= пятна с ограничением по дифракции |
Зависит от параметров падающего пучка, растет обратно пропорционально с М2 |
Q: Что изменится, если использовать лазер другой длины волны, чем предусмотрена конфигурация диффузора?
A: Использование элемента диффузора на длине волны, отличной от предусмотренной в конструкции, приводит к следующему:
Q: Какое рекомендуемое расстояние между диффузором и фокусирующей линзой?
A: Для диффузоров серии HM расстояние до элемента фокусировки не имеет значения, если чистая апертура системы фокусировки будет достаточно большой (~ 1,5 x размер HM в положении линзы).
© Holo/Or
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3