微透镜阵列-匀化光路调试的注意事项

    激光加工领域中,常常需求出射的激光能量分布为平整均匀的,亦即常说激光匀化,对光源进行平**光整形。针对不同的激光,市面上主要流行与微透镜阵列、DOE元件和非球面镜等三种常见的。而这种有细分出多种不同的镜片。其中微透镜阵列为ROE型元件,具备适用波长广,成本低的,匀化效果好的特点。常见的微透镜阵列匀化光路有单片微透镜阵列,即双面微透镜阵列或称双面复眼透镜。另一种是两片,平凸型的复眼透镜的微透镜匀化光路。本文针对后者调试中的注意事项作了简要介绍。

    针对不同的激光匀化,目前比较常见的平**光整形器件有:微透镜阵列、工程散射片(diffuser)、匀化片、整形镜等。而这些器件适用领域的核心区别因素是激光器的质量评定因子M²。一般,激光器M²≤1.3的,常用为匀化片和整形镜两种。而M²≥5的激光,一般适用于微透镜阵列、工程散射片(diffuser)。

    工程散射片(diffuser)的本质是伪随机的微透镜阵列,结构为平凸结构,只需要单片就可以实现效果,光路长度理想。但是现有对于微透镜阵列,其成本较高。用于激光匀化的微透镜阵列主要有双面和单面两种,双面的有点在于单片镜片,双面结构,多用于紧凑集成。但是其缺点在于可调节范围小,特定性强,不便于调节。另一种单面的复眼透镜方案更为常见,其微透镜阵列匀化光路虽然会比单片双面微透镜阵列的方案稍微长,但是光路灵活,可变性高,易于调节。其常见微透镜匀化光路,如下图所示:


    激光光源经过扩束准直后,平行入射。平行入射的激光束,打在**面微透镜阵列上,经过每个子单元的聚焦,重新形成阵列排布的焦点。可近似地将入射的光束,看成对应于透镜阵列的光束簇阵列。重新聚焦后的多个小光束相互叠加,基于阵列排布的对称性,也即出射小光束的对称性,小光束的不均匀性相互抵消,较终在接收屏幕上形成均匀的目标光斑。较终光斑的计算公式如下:

    DFT= pLA•fFL/ fLA2


    调试过程中,需要主要的事项主要有光源质量M²、对准、光路放置、入射光准直问题。

    光源的质量M²只要大于5一般都适用于该平**光整形光路。该激光匀化光路是将准直入射的光,重新细分成规则排布的细小光束,对称展开实现激光能量在光斑区域的均匀分布。其均匀性,根据实验条件不同,可以达到70~80%。理论上,口径P越小,其匀化效果越好。但小口径,同时会带来衍射的干扰的影响,导致终端的匀化效果反而不理想。一般我们建议适用口径尽可能大于300μm。如果激光的光源的想干性没那么强的,也可以适当小些。需要注意的是,匀化光斑的四方微弱的衍射属于正常情况,可以同过提高精度和面型光洁度改善,但是对应的成本过高,性价比不高。

    相应的,如果相干性强的,则需要更大的口径,大于500μm

    对准——主要是两片微透镜阵列之间子单元的对准,这也是一般推荐使用同型号的微透镜阵列的原因——有利于对准。当然,不同型号接近的也可以。如果实验中边沿过渡带比较明显,不够锐利可以通过旋转微透镜阵列的角度做调整,顺时针90°旋转。

    光路放置问题——首先是微透镜阵列的放置。从图中可以明显看到,两片微透镜阵列是凸面对外,平面相对的。两者之间的距离即焦距的长度,可以稍微长一些。聚焦镜的位置,没有严格的要求,可以等光路放置好后调整其前后距离对平**光整形光斑的大小和效果做微调。也可以微调两个微透镜阵列之间的距离微调。

    入射光的准直——入射光的准直性越好,出射效果越佳。


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