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激光分束干涉技术——使激光分束后再聚焦到一个点上

作者:中科光学  时间:2020-8-11 11:37:46

       分束器是一种常用的衍射光学元件,激光通过分束器之后的光束直径和相位都不变,而传播方向和能量会发生改变,因此激光分束镜通过聚焦镜之后会在焦平面上形成多个不同的焦点。近期,科学家提出一种基于DOE分束器的LST技术,通过特殊的DOE和光路设计可以把激光通过分束镜分束后再聚焦到一个点上产生干涉,从而实现激光干涉的效果。

        LST技术就是激光加工表面微细形貌技术。其可以替代准直激光干涉图像系统DLIP,DLIP是是用于高速处理表面的几种激光技术之一,准直激光干涉图像系统使用单脉冲激光对全部区域进行扫描构造,该脉冲处理表面的周期是干涉光束的角度和激光波长的函数,该方法在图案周期以及较大的焦深方面提供了无与伦比的灵活性,但是需要通过相当复杂的设置,使误差降到最低才可以进行使用。

        LST技术完全可以替代DLIP激光干涉技术,利用更简单的结构实现几乎相同的实验效果。


LST技术的理论

       DLIP方法一般是将入射光束分成4个子光束,然后这些子光束被折射或反射光学分别重新定向,使之平行,最后,所有的子光束都聚焦在目标平面上。在分束器之前可以放置一个平顶光束整形器,以改善光斑强度的均匀性,减小热影响区。热影响区指的是强度未达到损伤阈值,并转换为不需要的热效应的区域。这种方案主要的局限性是:没有旋转对称性的元件(光束整形器,分束器和棱镜),组装繁琐以及调整的自由度受限(由光束整形器输出的光束大小,再经分束器分束,再经棱镜后,来最终定义光斑的形状)。

       科学家们建议是将准直激光干涉图像系统设置成如下图所示的LST激光加工表面微细形貌结构,它包括高功率短脉冲皮秒激光器或飞秒激光器,用于精确调整光束大小的可调光束扩束器,在图像平面中产生干涉图样的单个DOE分束器以及扫描场镜(F-theta)。将现有的工业激光机器去用作准直激光干涉图像系统应用时,仅需做出微小的改动就可以实现。并行处理系统中他们的指标与我们的概念之间的关键区别是,我们是通过定制表面图案而不是离散点来修改整个表面积的特征。如下图所示,左图是典型的准直激光干涉图像系统系统,右图为我们提供的新系统。





激光分束后再聚焦到一个点上产生大面积干涉

    LST激光分束干涉技术可以处理大块面积的结构,分束器能够很轻易的分成1000个及以上的光束,以我们之前碰到的案例来说,能够覆盖到12×12mm2的区域上,并且各光斑的间隔要达到6μm(用于超疏水型表面),就要用一个2001×2001DOE分束器。

    假设有效焦距(EFL=100mm,周期为17.7 mm的分束器,即使用0.65的比率,也得需要直径为27.2 mm的光束,所以用扫描场镜(F-theta)来满足这些参数的要求,并且DOE本身就有6.8°的满角,因此采用零级消除技术来解决这种问题。 这种激光加工表面微细形貌方法,在分束器上的功率密度相对较低,因为光束尺寸非常大,此外大功率熔融石英材质的分束器可以轻松承受激光加工表面微细形貌大功率密度和脉冲能量。


激光分束干涉技术LST与准直激光干涉图像系统DLIP的比较

    与准直激光干涉图像系统相比,激光分束干涉技术的优势在于对准灵敏度较低——对于光束来说,它基本上完全不受周期性DOE中心的影响,而准直激光干涉图像系统的光束中心在透镜上是至关重要的。

    通过制造多层或kinoform衍射图案,可以获得大周期(小衍射角),更高的制造精度,更高的衍射效率,效率可以达到90%。相反,准直激光干涉图像系统中使用的2×2DOE分束器的标准衍射效率仅为65%。

另一个重要的质量参数是分束后各光束之间的一致性,在大多数情况下,我们希望各光束均匀度的差值要小于10%。少量的光束均匀性差不会对输出强度产生显著的影响。

    们基于DOELST方法使用的聚焦光学元件是工业中常用到的扫描场镜。由于该方法不利用这种透镜所允许的全扫描场,因此在扫描时可以使用比正常情况下更高的NA,从而实现了6μm的光束间距。

    与准直激光干涉图像系统相比,激光加工表面微细形貌方法的间距调整的灵活性较差。虽然对于准直激光干涉图像系统,可以通过调整相对光束角来轻松实现表面间距的变化,但我们的激光加工表面微细形貌方法仅限于由DOE分离角和聚焦光学系统预先确定的特定间距。但也是有解决办法的,只需通过替换DOE或在DOE或在聚焦光学元件之间添加可变焦镜,可以进行比例的缩放,来调整光束的间距。然而,对于大多数工业应用而言,它们对灵活性的需求不是很高,并且DOE的固定间距也是可以达到使用效果的。


总结

    在本文中,我们介绍了一种技术分束干涉技术LST,该技术在激光加工表面微细形貌的应用中可以替代准直激光干涉图像系统方法。使用具有一定光束大小的周期性DOE,以在处理区域上得到较多得光束分布。与多个干涉光束的准直激光干涉图像系统方法相比,该方法具有明显的优势,包括更好的均匀性,更高的效率,更好的热影响区,组装简易,光束整形自由度高以及更低的成本花销。在实际案例中,讨论了使用我们的方法在大面积上进行高密度构图的方法,并证明了它的可行性。然后,我们展示了一些具有正交和六边形特征分布的自定义形状示例以及分束器和光束形状组合功能的高级形状。

    使用我们的方法来替代准直激光干涉图像系统,简化了激光加工表面微细形貌系统的光学器件构成,特别是在工业应用中,因为这些应用几乎不需要调整子光束的间距,并且这种方法具有可靠性和简单性,有很高的价值意义。


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