Применение дифракционных оптических элементов в преобразовании распределения интенсивности лазерного пучка

Дифракционный оптический элемент позволяет управлять фазой электромагнитной волны, проходящей через него. Так, с помощью определенного дифракционного рисунка можно получить на выходе распределение интенсивности излучения любой формы. В разработке таких дифракционных элементов преуспевает компания Holo/Or.

Дифракционная оптика становится полноценным многофункциональным научным решением и имеет множество преимуществ: высокую эффективность и точность передачи излучения, компактность, небольшой вес.

Дифракционные устройства Holo/Or можно разделить по назначению на две группы: светоделители и формирователи профиля интенсивности пучка. Оптические светоделители используются для разделения одиночного лазерного пучка на несколько, каждый из которых имеет те же характеристики, что и исходный луч, за исключением мощности и угла распространения. Также с помощью светоделителей можно наблюдать специфические распределения интенсивности на экране: концентрические окружности, гексагональные решетки и др.

Рисунок 1. Различные точечные распределения интенсивности

Рисунок 2. Результаты преобразования профиля интенсивности различными дифракционными устройствами

Формирователя профиля интенсивности пучка используются для преобразования гауссова распределения интенсивности в равномерное распределение круглой, прямоугольной, квадратной или другой формы с отчетливой границей. Пятно с равномерным распределением интенсивности предотвращает чрезмерное или недоэкспонирование определенных областей, что важно, в частности, при лазерной абляции. К формирователям профиля интенсивности относятс гомогенизаторы, цилиндры, вихревые линзы (спиральные фазовые пластины) и дифракционные аксиконы.

Лазерная абляция с применением дифракционной оптики

С развитием лазерной обработки материалов заметно возросла потребность в разработке новых лазерных систем для промышленных целей, поэтому многие традиционные технологии были заменены лазерными аддитивными системами с применением дифракционных оптических элементов: гомогенизаторов, светоделителей, аксиконов и т.д. Рассмотрим преимущества использования некоторых их них.

Светоделитель

Коллимированный входной пучок падает на светоделительную пластину, преломляется на периодической структуре и расщепляется на несколько пучков, распространяющихся под углом. Этот угол разделения определяется при производстве элемента с учетом требований заказчика (рис. 3). Ошибка не превышает 0,03 мрад.

Рисунок 3. Дифракционный светоделитель. EFL – эффективное фокусное расстояние, m – порядок дифракции, θ_s – угол разделения, d – расстояние между двумя точками фокуса, θ_f  – полный угол, D – длина массива.

Светоделители используются в лазерной обработке материалов (лазерной абляции, перфорации, сверлении, сварке), эстетических процедурах (косметическая шлифовка), научных исследованиях: двухфотонной флуоресцентной микроскопии, когерентном объединении волн и др.

Рисунок 4. Распространение дифрагированного излучения в среде

Формирователь профиля интенсивности пучка

Дифракционные формирователи профиля интенсивности пучка - это фазовые пластины, преобразующие входное гауссово распределение интенсивности в пятно с однородным распределением на определенном рабочем расстоянии. Каждый формирователь профиля интенсивности разрабатывается в соответствии с параметрами оптической системы: длиной волны источника, диаметром входного пучка, рабочим расстоянием.

Рисунок 5. Дифракционный формирователь профиля интенсивности, d – размер пятная на экране, EFL – эффективное фокусное расстояние

Формирователь профиля интенсивности типа «Top-Hat»

Формирователь профиля интенсивности типа «top-hat» используется для преобразования распределения интенсивности, близкого к гауссову, в равномерное. Пятно света на экране может быть любой симметричной формы: круглой, прямоугольной, квадратной. Для наилучших результатов следует использовать одномодовый лазерный источник, фактор пучка М2 не должен превышать 1.3.

Рисунок 6. Распределение интенсивности типа «Top-hat»

Равномерное распределение интенсивности пятна, формируемое в устройстве, обеспечивает ровную обработку поверхности, предотвращая пере- или недоэкспонирование определенных областей. Кроме того, пятно характеризуется резкой переходной областью, которая позволяет четко разделять обработанные и необработанные участки.

Через формирователь проходит более 95% энергии излучения, выходной пучок имеет высокую однородность, явную границу. Устройство имеет высокий порог повреждения, что позволяет использовать его с лазерами большой мощности.

Гомогенизатор лазерного излучения

Оптический дифракционный гомогенизатор преобразует одномодовое или многомодовое входное излучение в выходной пучок с однородной интенсивностью. Край пятна четко определен.

Гомогенизатор рассеивает падающий пучок в квазислучайных направлениях, таким образом достигается однородность светового пятна. Наилучший результат достигается в пучках, обладающих высоким фактором М2.

Гомогенизаторы в основном применяются в лазерной обработке материалов – сварке, пайке и т.д.

Рисунок 7. Гомогенизатор пучка

Спиральные фазовые пластины

Спиральные фазовые пластины, также известные как «вихревые линзы» формируют вихревые пучки. Это уникальный оптический элемент, ступенчатая структура которого нанесена на поверхность в форме спирали. С помощью вихревых линз можно управлять фазой излучения.

Рисунок 8. Вихревая линза

Как правило, глубина травления периодической структуры имеет тот же порядок величины, что и расчетная длина волны. Каждая фазовая пластинка изготавливается для определенной длины волны. Для создания вихревого оптического пучка требуется коллимированное одномодовое (TEM00) излучение, которое будет преобразовано в осесимметричную моду излучения TEM01. Вихревые линзы передают более 90% излучения и имеют низкий порог повреждения. Есть чувствительность к перемещению и вращению элемента.

Основные применения вихревых линз: лазерная абляция, сварка, системы оптической связи, STED-микроскопия, оптические ловушки и др.

Компания Holo/Or основана в 1989 году. Специализация предприятия - дифракционные оптические элементы и микрооптические элементы. За 30 лет работы в индустрии Holo/Or накопила значительный опыт в моделировании и производстве прецизионных дифракционных компонентов.

©Holo/Or
 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ