Difrakční optické prvkyDOE Pro laserové zpracování materiálů, lékařské a kosmetické

Difrakční optické prvky

Difrakční optické prvky (DOEPoužití mikrostrukturálního designu k změně fáze světla, které se šíří. Rozumně navržená optická difrakční mikrostruktura původního povrchu umožňuje při vstupu konkrétního světla vypustit jakékoli světlo, které odpovídá navrženému rozdělení intenzity světla.DOETechnologie umožňuje mnoho funkcí a ovládání světla, které nejsou realizovatelné v tradičních optických systémech. V mnoha aplikacích tyto technologie výrazně zlepšují výkon systému. Difrakční optické řešení má mnoho výhod, jako je například: vysoká účinnost, vysoká přesnost, malé rozměry, nízká hmotnost a co je nejdůležitější, je flexibilní pro splnění různých požadavků aplikací.

DOEVýrobky: Rozdělovače paprsků a tvarovače paprsků.

Rozdělovač paprskůDOEPoužívá se k rozdělení jednotlivých laserových paprsků na několik paprsků, z nichž každý má stejné vlastnosti jako příchozí paprsek (kromě výkonu a úhlu šíření). Podle difrakčního vzoru rozdělovače,Rozdělovač může vytvářet1Rozměrná světelná pole (1×Nnebo2Matice světelného paprsku (M×N). RozdělovačDOEPříchod světla lze také rozdělit na různé rozložení skvrn, například kruhové, náhodné vzory, šestiúhelníkové pole atd. Oddělovač paprsku musí být použit spolu s jednobarevným světlem, například laserovým paprskem, který má určitou vlnovou délku a oddělovací úhel mezi konkrétním výstupním paprskem.

Světelný paprsek je schopný přeměnit Gaussov paprsek na pracovní povrch na rovnoměrný paprsek kulatého, obdélníkového, čtvercového a lineárního tvaru s okrajovými obrysy (rozdělení intenzity světla). Velmi jasný a zároveň světelný tvarovač umožňuje rovnoměrné rozdělení výstupní intenzity, což umožňuje rovnoměrné zpracování povrchu při laserovém obrábění a zabraňuje nadměrné nebo nedostatečné expozici určité oblasti. Kromě toho mají skvrny strmé přechodné oblasti, což vytváří jasnou hranici mezi ošetřenými a neopracovanými oblastmi. Řada profilátorů paprsku zahrnuje rovnoměrníky,top-hatSpirálové čočky (spirálové fázové desky) a kuželové skopy s difrakční osou.

DOETypické aplikace

Vzhledem k rostoucímu výkonu laseru nemusí optické komponenty mnoha integrovaných systémů být schopny vydržet vysoce výkonný laser. Proto prah poškození indukovaného laserem (LIDTneboLDTParametry se stávají důležitým faktorem při výběru optických prvků. Vysoká prahová hodnota poškození difrakčních optických prvků je ideální pro vysoce výkonné průmyslové systémy a aplikace. Aplikace pro zpracování laserových materiálů a lékařská kosmetika založená na laseru vyžadují vysoce výkonné lasery.

Diagram1Rozdílení spotů různých splitterů vlevo doprava:5×5Pole, náhodné, šestiúhelníkové pole, kruhové

Diagram2Výsledky různých tvarů paprsků vleva doprava: homogenu, plochá vrcholová světla, vrtulné čočky a difrakční prizmy

Aplikace difrakčních optických prvků při laserovém zpracování materiálů

V nedávné době se zvýšil vývoj nových laserových systémů pro průmyslové potřeby. Bylo vyvinuto mnoho nových procesů a mnoho tradičních procesů bylo nahrazeno laserovým procesem. Laserové zpracování materiálů tvoří velkou část celého trhu s lasery,DOEHraje důležitou roli při poskytování adaptivního procesu tvarování laserových paprsků. Technologie tvarování a homogenizace laserových paprsků je nezbytným krokem k optimalizaci mnoha aplikací pro zpracování laserových materiálů.DOEObvykle se používá pro laserové koroze a laserové obrábění, laserové vrtání, laserové řezání a další obrábění k vytvoření malých charakteristických struktur na povrchu.

DOELaserová kosmetická léčba

Vzhledem k tomu, že se používání laserové technologie stává stále nezbytnějším nástrojem v oblasti medicíny a estetiky, je schopnost řídit laserový výstup stále důležitější.DOEPoskytuje jedinečné řešení, které umožňuje ovládání paprsku různými způsoby a zároveň udržuje komponenty lehké. Kosmetická léčba obvykle používá vysoce výkonný laser. Vyžaduje rovnoměrnou a přesnou expozici světla laseru s přesnými ostrými hranami a zároveň vysokou účinností. To je ideální řešení pro formování paprsku pomocí difrakční optiky.DOEČasto se používá pro laserové odstranění vlasů, laserové odstranění tetování, opravy pokožky, regeneraci pokožky a další.

Difrakční optické prvky - splittery

Funkce rozdělovače je velmi jednoduchá. V závislosti na systémových požadavkech zákazníka, přímý vstupní paprsek, výstupní paprsek s oddělovacím úhlem od paprskuDOEPojďte ven, oddělovací úhel jeDOEurčený během návrhu a velmi přesný úhel oddělení (chyba<0.03mRad). Oddělení paprsku je navrženo pro vzdálené pole. Proto se světlem vDOEPoté se rozšiřují a stávají se jasnější.

Diagram3RozdělovačDOEzákladní nastavení,EFL =efektivní ohnisková vzdálenost,m =více bodů (body), θs=úhel oddělení mezi dvěma fokusy,d = 2Vzdálenost mezi středisky (vzdálenost), θf= Celý roh,D =Délka pole světelných bodů

Diagram4 1×6Vícebodové šíření v rozptýleném médiu

Vytvořené multispektrální skvrny s "nulovým stupněm" nejsou difraktivní a paprsek dodržuje zákony odrazu a lomu. U standardních rozdělovačů s neparným počtem paprsků je úhel oddělení řada+1a počet stupňů0mezi úhlem (počet stupňů)0očekávaného světla). U standardních rozdělovačů s párným počtem paprsků je oddělovací úhel+1třídy a-1Úhel mezi stupněmi (nulové stupně není požadovaný paprsek).

Difrakční optické prvky - použitíDOEFormování paprsku

Defraktivní paprsek je fázový prvek, který při určité pracovní vzdálenosti přeměňuje Gaussov vstupní paprsek na rovnoměrné skvrny s ostrými okraji. Každý paprsek je použitelný pouze za určitých optických podmínek, tj. za jedinečné sady parametrů optického systému: vlnová délka, velikost vstupního paprsku, pracovní vzdálenost a velikost výstupních skvrn.

Mezi nejzákladnější nastavení v aplikacích profilátoru paprsku patří laser, komponenty profilátoru paprsku a povrch, který má být ošetřen.

Plochá vrchní paprsková formátorka

Formátor světelného paprsku se používá k přeměně laserových paprsků s přibližnou gaussovou vstupností na skvrny s rovnoměrnou intenzitou v kruhových, obdélníkových, čtvercových, lineárních nebo jiných tvarech s vysoce kvalitními ostrými hranami v konkrétní pracovní rovině. Pro dosažení vysoce kvalitního výkonu paprskového tvarovače by měl být laserový výstup jednomódní (TEM00），M2Hodnota<1.3To je.

Prostřednictvím paprskového tvarovače lze zanechat rovnoměrné světelné skvrny na povrchu objektu, který má být ošetřen, a zabránit nadměrné nebo nedostatečné expozici určité oblasti. Kromě toho se skvrna vyznačuje ostrými přechodnými oblastmi, které vytvářejí jasnou hranici mezi ošetřenými a neopracovanými oblastmi. horní klobouk paprsek formátor s vysokou účinností (obvykle> 95Vynikající rovnoměrnost (obvykle ±5v %), strmé přechodné zóny a vysoký prah poškození laserem. Kromě toho jsou formátory světelných paprsků s horním kloboukem citlivé na velikost vstupního paprsku, pracovní vzdálenost a posun komponentů. Plochý vrcholDOEObvykle se používá pro aplikace zpracování laserových materiálů (laserové koroze, laserové řezání, laserové vrtání), estetické ošetření (tetování a depilace), vědecké aplikace (proudová cytometrie) a další.

Homologátor - paprskový tvarovač

Optický ekvivalátorDOEPřeměna jednomódního nebo vícemódního vstupního paprsku na jasně definovaný výstupní paprsek, který se vyznačuje požadovaným tvarem a rovnoměrnou pevností ploché stropy. Nejběžnějšími tvary, které získají rozptylovače, jsou kruhové, čtvercové, obdélníkové, ovální a šestiúhelníkové. Zároveň lze navrhnout obrázek téměř jakéhokoli tvaru. Okraje rozptýleného paprsku jsou obvykle strmé a určitelné. Poměr mezi vstupním úhlem rozptylu a úhlem rozptylu rovnoměrníku určuje poměr přechodné oblasti k rovnoměrné oblasti výstupního paprsku. Aby bylo dosaženo ideálního rozdělení intenzity paprsku ve vzdáleném poli nebo fokální rovině,DOEHomologátor rozděluje vstupní světlo v polonáhodném směru v polonáhodném směru pole. Tato metoda umožňuje navrhnout komponenty schopné vytvářet libovolný tvar s přesnými výstupními úhly a rozměry za podmínek rovnoměrné intenzity světla. Výkon difuzoru do značné míry závisí na parametrech vstupního paprsku, navíc použitím vysokéM2Vstupní paprsek umožňuje dosažení vyšší rovnoměrnosti (obrázek)7). Formátory homogenového paprsku nejsou citlivé na velikost paprsku, posun a sklon komponentu. Poskytuje vysoký prah poškození laserem, zatímco rovnoměrnost a účinnost se mění v závislosti na návrhu. HomogenátorDOEObvykle se používá pro aplikace zpracování laserových materiálů (laserové svařování, laserové pájení), estetické ošetření (tetování)/depilace, tvar těla) atd.

Diagram5Formátor paprskuDOEzákladní nastavení,d =tvarování velikosti skvrny,D =průměr paprsku,EFL =Efektivní ohnisková vzdálenost.

Diagram6Rozdělení síly klobouku, vlevo: čtvercové, vpravo: kulaté

Diagram7Výkon homogenu podleM2Změna vlevo:M2 = 1vpravo:M2 = 10 Diagram8Spirálové čočkyDOESchodiště

Difrakční optické prvky - spirální fázové snímky

Spirálové čočkyDOEPřevede Gaussovo vstupní rozdělení na kruhový energetický kroužek. Spirálová fázová deska je jedinečný optický prvek, jehož struktura se skládá výhradně ze spirály nebo spirálové fáze, jejímž účelem je řídit fázi průnosného paprsku. Celková hloubka rytu od horní části do dolní části "schodiště" je funkcí vlnové délky návrhu a optického indexu podložky. Za obecných podmínek má tato hloubka stejnou velikost jako navržená vlnová délka. Každá deska je tedy specifická pro vlnovou délku. Optické víry vyžadují přímý vstup do jednoho režimu (TEM00Gauss vstupní paprsek a převede ho naTEM01Symetrický režim osy.

Použití většího průměru vstupního paprsku má dvě jasné výhody. Za prvé, větší paprsek mírně snižuje výstupní párDOENastavení citlivosti tolerance. Za druhé, větší průměr vstupního paprsku bude schopen vytvořit menší body víru, což je obvykle požadovaným výsledkem v mnoha aplikacích. Vířivé čočky mají vysokou účinnost (obvykle> 90% a nižší prah poškození. Má citlivost na posun a otáčení komponentů. Spirálové čočkyDOEObvykle se používá v aplikacích zpracování materiálů (svařování), optické komunikace (převod a generování optických vzorů), vědeckých aplikací (STEDmikroskopy, optické pince atd.

Shrnutí:

V posledních letech se difrakční optické prvky staly vyspělou a široce používanou technologií.DOETechnologie se používá především pro formování paprsku a rozdělení paprsku. Používá se především v oblastech jako jsou aplikace zpracování laserových materiálů, lékařské a estetické aplikace a má velký trh, který tvoří velkou část celého trhu s laserovými aplikacemi. Vzhledem k neustálému zvyšování výkonu laseru a neustále přísným požadavkům na přesnost,DOEVysoká prahová hodnota poškození laserem a vysoká přesnost z něj činí efektivní řešení problémů s laserovými aplikacemi.