分束器原理及應(yīng)用手冊

時(shí)間：2020-04-02作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：184

衍射激光分束器在眾多工業(yè)和研究中使用，其典型的領(lǐng)域有：激光劃片（如太陽能電池或面板中的劃片），激光切割，激光顯示器。與其同類的產(chǎn)品還有衍射多線陣列DOE，即得到的是一個(gè)1×M的線陣列而不是1×M的點(diǎn)陣列，線陣列的長度可以通過DOE表面的衍射圖樣來設(shè)計(jì)。


激光分束器的操作原理
準(zhǔn)直的入射激光光束經(jīng)過分束器DOE，輸出光束會(huì)以特定的分離角度射出，這個(gè)特定的分離角度是根據(jù)客戶要求而設(shè)計(jì)的（如圖1），并且分離角度較其精準(zhǔn)，誤差小于0.03mRad，光束的分離是為遠(yuǎn)場設(shè)計(jì)的，因此隨著光束在通過DOE之后逐漸分離開來，使輸出光束變得較加清晰。
 
圖1 激光衍射分束器的基本設(shè)置
由圖1可以看出，對于具有奇數(shù)個(gè)輸出光束的分束器，分離角是0階光束和+1階光束之間的角度，0階光束是所需的輸出光束，處于被激活狀態(tài)。對于偶數(shù)個(gè)輸出束的分束器，分離角是+1階光束和-1階光束之間的角度，此時(shí)0階光束不是所需的光束，處于未被激活狀態(tài)。但是，通過HoloOr設(shè)計(jì)定制的激光衍射分束器能夠激活或停用任何階次。


帶聚焦鏡的激光衍射分束器
通常，客戶需要在特定距離處生成聚焦良好的光斑。這可以通過在分束器DOE之后添加一個(gè)聚焦透鏡輕松實(shí)現(xiàn)，該透鏡的后焦距（BFL）確定了到焦平面（加工面）的工作距離（WD），如圖2顯示的是三個(gè)光束的例子。
 
圖2 帶聚焦鏡的激光衍射分束器
因此我們可以選擇合適的聚焦鏡，利用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系有如下等式：
 
其中D是相鄰兩個(gè)階的輸出光束距離，WD是工作距離，α是相鄰兩個(gè)階次的輸出光束之間的發(fā)散角。
焦平面上的輸出光束光斑直徑有如下公式：
 
其中L是工作距離，λ是入射激光波長，D是入射激光直徑，M2是入射激光質(zhì)量因子。


分束器的注意事項(xiàng)與限制
在輸出雙光束的分束器配置中，由于物理限制，功率效率能達(dá)到近80％，而兩階蝕刻的多光束（輸出光束數(shù)量> 2）配置的功率效率可以達(dá)到近85％，而多階蝕刻的衍射分束器則可以達(dá)到近95％。剩余功率分配在其他不需要的階次光束中。
只有在衍射圖案的較小特征尺寸不是那么小的情況下才值得進(jìn)行多級蝕刻。如果太小，則制造公差可能會(huì)將效率級別降低到接近二進(jìn)制級別。較小特征尺寸是分束器總發(fā)散角度和波長的函數(shù)。
能量分配可以是輸出的多光束之間能量均勻，也可以是滿足應(yīng)用要求的光束之間能量不均勻分配。
通常，在項(xiàng)目初始測試階段，用戶可能希望使用設(shè)計(jì)波長與實(shí)際應(yīng)用波長不完全相同的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在這種情況下，Holo/Or可以為用戶提供實(shí)際波長的預(yù)期性能，因?yàn)閷τ谀骋惶囟ㄐ吞柕姆质鳎ㄩL改變后不同衍射階次的能量會(huì)重新分配。
較小輸入光束直徑的大小由DOE規(guī)格書的設(shè)計(jì)參數(shù)決定，對于單模激光器，1）奇數(shù)個(gè)點(diǎn)分束的情況下，其較小入射光束直徑的大小至少為DOE中周期數(shù)的3倍，2）如果偶數(shù)個(gè)點(diǎn)的衍射激光分束器，則入射光束至少為該尺寸的1.5倍。反過來，周期由以下公式給出：
 
其中Λ為DOE的周期，m為衍射階數(shù)，λ為入射激光波長，α為m階衍射光束與光軸之間的夾角。


公差范圍
在衍射激光分束器的零階方向，不存在衍射效應(yīng)，光束只遵循較基本的反射和折射定律。
在奇數(shù)個(gè)輸出光束中，與偶數(shù)個(gè)輸出光束不同，“零階”是必需輸出光束之一，如圖3所示。在制造過程中產(chǎn)生的公差可能會(huì)導(dǎo)致零階強(qiáng)度與理論模擬值稍有不同；同樣，均勻性和效率也會(huì)略有不同。對于任何特定的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)客戶的要求將期望值提供給客戶。
 
圖3 零階光束情況
在我們的標(biāo)準(zhǔn)多光束分束器列表中，零階能量將顯示為偶數(shù)多光束的輸入光束能量的百分比（假設(shè)傳輸效率為100％），以及奇數(shù)多光束的其他所需階能量平均的百分比，如圖4所示。
              
圖4 零階能量顯示
在圖4中，某些制造誤差后的零階能量在一維光束陣列1×6（左圖）的情況下為輸入光束的1.57％，在一維光束陣列1×7（右圖）的情況下，其他所需階數(shù)的平均能量為74.9％。
請注意，對于具有非常大的光束數(shù)量（大約光束數(shù)量> 400）的元件，零階將顯示為輸入光束功率的百分比，而不是相對于其他階數(shù)的百分比。
零件編號（PN）的代碼：我們元件的PN以下列格式構(gòu)建：AB-000-C-D-E。
最后一個(gè)字母E（在奇數(shù)多點(diǎn)和三重點(diǎn)的情況下）是指示零階的代碼。
選項(xiàng)列表：
A：0-100％之間的零階
N：50-100％之間的零階
L：0-50％之間的零階
X：特定于每個(gè)多點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)零階
S：自定義零序











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