超快激光光束整形，飛秒激光整形鏡片，超短脈沖對DOE的影響

超快激光用于光束整形元件（DOE）的研究

以色列Holoor的工程師用光學仿真工具分析了超短激光脈沖影響衍射光學元件的光束整形特性和性能，中國區總代理維爾克斯光電進行了初步整理并和大家分享，如有紕漏，歡迎指正。

超短脈沖 (USP, ultra short pulse) 激光器，又稱為超快快激光，由于其在工業使用中變得更加普遍,使用衍射光學元件 (DOE) 的光束整形應用變得更具挑戰性,特別是在當下，納秒脈沖UPS激光器被更快速的飛秒設備取代的階段。

使用 LightTrans 公司開發的物理光學模擬工具VirtualLab,它可以模擬大多數DOE產品(包括分束鏡和光束整形器),維爾克斯光電/HoloOr的團隊深入研究了USP激光器對DOE功能的影響,并發現而對大多數光束整形器的影響是可忽略不計,不過對于有些顏色元件，例如光束光柵,可以看到和不良的光斑效果。

基本知識

衍射光學元件提供靈活性的系統配置方面，對于許多應用可以產生的光學功能, 這些是不可能使用傳統的反射或折射光學元件實現的。衍射光學DOE元件的優勢,包括小尺寸,多個功能集成到單個鏡片,高角度精度,低厚度,和折射解決方案相比具有更小的時間色散。

DOE的操作原理非常簡單:對于準直輸入光束,輸出光束以預先設計的分離角度和強度離開DOE。利用光束整形器,將激光光束聚焦到設計的尺寸和形狀。常見的應用包括醫療系統,計量學（質譜儀）和科學/研究應用程序，特別是,激光光束整形和均勻化技術是材料加工領域的技術。

雖然能夠集成多種功能而且，但是衍射元件的功能強烈依賴于光的波長。在使用USP 激光器時會尤其要注意, 因為它們的脈沖持續時間很短,因此可能具有異常的頻譜特性。由于操作波長不同于設計DOE的標稱范圍,所以USP的寬光譜區域會影響光束整形。這就使得有必要預測輸出光斑的形狀在使用波長范圍而不是單個波長時的表現。

根據傅里葉理論, 在時域中,脈沖持續時間越短,頻譜寬度越大。這就導致了USP激光器呈現時間色散效應。對于一個800 nm中心的高斯脈沖,典型的脈沖展寬將Δλ= 1 nm為1000 fs脈沖和Δλ= 10 nm為100 fs脈沖。

激光整形和分束

有兩個主要系列的 DOE 產品:分束和光束整形。分束鏡是用來分裂一個單一的激光光束成幾束不同的功率的激光沿著不同角度的傳播。分可以產生one-dimensional光束陣列(1 x n)或two-dimensional光束矩陣(M x n),這取決于在DOE表面的衍射模式。光學分束用于單色光源,設計用于輸出光束之間的特定波長和分離角度。

光束整形器用于將近高斯入射的激光光束轉換為在特定工作平面上具有銳邊的圓、矩形、正方形、線或其他形狀的均勻強度光斑。采用光束整形器實現均勻的強度分布, 使表面得到均勻的處理,防止工件上的不必要的激光輻射。此外,該元件的特點是一個尖銳的過渡區,創造了明確的激光處理和未處理的邊界。光束整形包括平頂光斑,漩渦透鏡(螺旋相位板),和衍射軸錐鏡axicons。

分束鏡和光束整形器可用于多模 (MM) 或單模(SM)輸入光束,并可與大功率激光系統操作,因為其材料的高損傷閾值,鏡片材料包括熔融二氧化硅,鋅例如,硒化(ZnSe)和藍寶石。

超短脈沖激光對光束整形的影響

當通過具有周期性的光柵狀結構的分束 DOE 發射極短的少量飛脈沖的USP激光光時,可以觀察到許多不同的現象,包括橢圓形而不是圓形的光斑形狀,光斑大小的變化,和零級光斑能量的變化。

分束 DOE 是為標稱波長λ1設計和制造的。它的相位在空間中被復制,從而形成周期性的光柵結構。當使用不同的波長λ2時,衍射角度根據光柵方程而變化。

對于小衍射角θ (<12°),衍射角與相應波長之間的關系定義為:

Δd = ?·(θλ1 - θλ2) = ?·θ1 · (1λ1 /λ2)

在這里, Δd是λ的點中心的偏差λ1和λ2, ?是使用中的透鏡的焦距,而θλi是波長λi的衍射角度。根據方程,每個波長將有一個不同的衍射角度，對應的光斑將移動到一個稍微不同的位置。如果中心偏差與焦平面的光斑大小數值相近,則該點變為橢圓形。

這里橢圓將是更大的波長范圍 (或更短的脈沖持續時間),因為每個波長的脈沖頻譜將有一個略有不同的衍射角度。

我們也知道, DOE的零階(未經過衍射的光)是波長依賴性的,這意味著它將增加,同時使用一個標稱波長的比例。因此,在使用USP時,我們可以期待一個明顯的零級亮點。

利用 VirtualLab 模擬,維爾克斯光電和HoloOr研究了USP對各種類型的影響。對于每個DOE,都準備了一個光學裝置,其中包括一個高斯源(帶有單個波長或波長頻譜)、DOE、消色差聚焦透鏡和一個虛擬屏幕,以查看位于焦點平面上的結果。然后,通過使用射線跟蹤傳播--遠場物理光學傳播工具--的設置傳播光線。為了演示目的,我們還選擇不同的輸入光束直徑來強調可能的結果。

超短脈沖激光對螺旋相位片/渦流透鏡的影響

也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉換為圓環形或方形的能量環。渦流透鏡的典型應用包括光學俘獲、光通信、光學和高分辨率顯微鏡。

螺旋相板是一種的光學元件, 其結構由螺旋組成,目的是控制發射光束的相位。它的拓撲電荷,在文獻中表示為m,指的是在一個360°旋轉的衍射表面上蝕刻的周期(樓梯)的數量。

超短脈沖激光對衍射軸錐鏡 axicons的影響

衍射錐鏡將激光光束轉換成環形形狀 (近場的貝塞爾強度剖面)。它還可以將點源圖像沿光軸旋轉一條直線,并增加焦點的深度。由于其的特性,衍射棱錐用于許多應用領域,如原子阱、望遠鏡和激光鉆孔。

與渦旋透鏡一樣, 衍射棱錐輸出顯示輸入脈沖為高斯或超短的變化不大(見圖2)。VirtualLab模擬和實驗實踐表明,超短脈沖激光和普通激光獲得類似的結果，并沒有改變的大小和形狀的。

超短脈沖激光對平頂整形的影響

平頂整形器用于將近高斯入射的激光光束轉換為在特定工作平面上具有銳邊的圓形、矩形、正方形、直線或其他形狀的均勻強度 (平坦)光斑。典型的應用主要是激光材料加工,包括激光熔融、剝離、焊接、激光顯示、香煙過濾器、醫學和美學激光應用。

對于高質量的光束整形器的性能, 激光輸出應single-moded (TEM00),并在M2<1.3。使用這種類型的頂帽DOE, USP激光輸入會導致形狀點尺寸的微小變化(見圖3)。這種變化與光譜制度的變化是一致的,這意味著變化只發生在點的邊緣(我們稱之為DOE的過渡區),而不是在平頂光斑的中心。

超短脈沖激光對多點分束鏡的影響

對于 1 x 2 分(雙點),使用具有周期性結構的光柵DOE。一般而言,分用于許多應用領域,包括光刻、穿孔、精切、打標等材料的加工應用。

另一個效應是增加的零級強度, 正如前面所討論的,是波長依賴性的。在操作與設計的標稱波長不同的DOE時,我們總是可以期望在模式中觀察到零點。這個效應對于偶數點來說更為重要,在這種情況下,零序不是模式的一部分(相對于奇數點)。

從模擬結果來看, 除非脈沖是非常短的(幾fs), USP激光輸入對大多數類型的作用幾乎沒有影響。盡管如此,還必須考慮到USP激光器的光束質量。對于多模激光器, M2參數比單模激光器高,從而減少了光束的,并掩蓋了大分的橢圓效果。輸入光束的橢圓可能會影響輸出光斑的形狀(光斑形狀變得比圓形更橢圓),而光束直徑對光斑大小和分離角度有影響。