Гомогенизация лазерного излучения Holo/Or

Функции и приложения оптических рассеивателей

• Работа с одномодовым и многомодовым излучением
• Стекло или пластик в качестве оптического материала 
• Не требует центрирования 
• Любая геометрия и симметрия выходного пятна
• Регулирование интенсивности

Приложения: 

• Гомогенизация лазерного излучения
• Лазерная обработка материалов
• Медицинские приложения 
• Формирование профиля излучения эксимерных лазеров
• Снижение локальных перегревов

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:

• Длина волны
• Требуемая форма пятна и распределение интенсивности (равномерное)
• Угол расходимости или размер изображения, эффективное фокусное расстояние
• Фактор пучка М2

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

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

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

• Расположите пучок на уровне талии или ниже. Не устанавливаете пучок на уровне глаз
• Закрывайте или отведите глаза, когда наклоняетесь к лазерному пучку.
• Облокачиваясь на стол, остерегайтесь излучения, рассеянного вверх.
• Снизьте интенсивность проходящего излучения как можно больше, используйте фильтры.
• Не направляйте пучок в оконные и дверные проемы
• Используйте минимально отражающие поверхности. 
• Расположите инструменты управления ходом пучка так, чтобы оператор не подвергался воздействию высокоинтенсивному излучению.
• Убедитесь, что предупреждающие индикаторы работают и видны сквозь защитные фильтры
• Если лазерный пучок виден при просмотре сквозь защитные очки, уровня защиты недостаточно
• Не носите часы и ювелирные украшения при работе с лазерами 3-4 класса опасности.

Обслуживание:

Механическая чувствительность и допуски

Таблица 4. Точность и чувствительность юстировочных подвижек

Часто задаваемые вопросы

Q: В чем отличие формирователя пучка Top-Hat и диффузора оптического излучения?

A: Сравнительная таблица формирователей и диффузоров серии HM:

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:

1. Использование диффузора на длине волны, отличной от заложенной в конструкции, изменит угол рассеяния, а также изменит размер выходного пучка, пропорционально соотношению используемой длины волны к расчетной длине волны.
2. Глубина травления дифракционного элемента оптимизирована для определенной проектной длины волны, поэтому использование на другой длине волны вызовет перемещение энергии в пучке, при этом некоторая часть рассеянной мощности переместится неравномерно в нулевой порядок, проявляясь в виде центрального пика в выходном луче.

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