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衍射光學(xué)元件DOE 用于激光材料加工，醫(yī)美

衍射光學(xué)元件

衍射光學(xué)元件（DOE）利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計來改變其傳播的光的相位。合理的設(shè)計光學(xué)衍射原件表面的微結(jié)構(gòu)能夠使輸入特定光的時候輸出任何符合設(shè)計的光強分布的光,。DOE技術(shù)實現(xiàn)了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)不可行的許多功能和對光操作,。

許多應(yīng)用中，這些技術(shù)極大的提高了系統(tǒng)性能,。 衍射光學(xué)方案擁有許多優(yōu)勢,，例如：高效率，高精度,，小尺寸,，低重量，最重要的是它靈活的滿足各種不同應(yīng)用要求,。

DOE產(chǎn)品：分束器和光束整形器,。

光束分束器DOE用于將單個激光束分成幾個光束，每個光束具有與入射光束相同的特性（除了功率和傳播角度）,。根據(jù)分束器的衍射圖案,分束器可以產(chǎn)生1維光束陣列（1×N）或2維光束矩陣（M×N）,。分束器DOE還可以將入射光束分成有不同的光斑分布，例如圓形,，隨機圖案,，六邊形陣列等。光束分離器需要與單色光（例如激光束）一起使用,，不同分束器有特定波長和和特定的輸出光束之間的分離角,。

光束整能夠在工作面上將近高斯光束轉(zhuǎn)換為圓形、矩形,，正方形和線形的均勻光束,，并且邊緣輪廓（光強分布）。十分的清晰,，同時光束整形器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出強度分布均勻,，使激光加工時能夠均勻處理表面，防止特定區(qū)域的過度曝光或曝光不足,。 此外,，光斑有陡峭的過渡區(qū)域，故而在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界,。光束整形器系列包括均化器,，top-hat，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射軸錐鏡,。

DOE的典型應(yīng)用

隨著激光功率的不斷增加,，許多集成系統(tǒng)的用戶光學(xué)元件可能無法承受高功率激光。 故而,，激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT或LDT）的參數(shù)成為選擇光學(xué)元件時的重要因素,。 衍射光學(xué)元件的高損傷閾值使其成為高功率工業(yè)系統(tǒng)和應(yīng)用的理想選擇,。激光材料加工應(yīng)用和基于激光的醫(yī)療美容（醫(yī)美）都需要高功率激光器。

衍射光學(xué)元件在激光材料加工應(yīng)用中的應(yīng)用

最近,，用于工業(yè)需求的新激光系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)增加,。開發(fā)了許多新工藝，許多的傳統(tǒng)加工工藝被激光加工工藝所取代,。激光材料加工占整個激光器市場的很大的一部分,，DOE在提供適應(yīng)工藝的激光束成形方面發(fā)揮著重要作用,。激光束成形和均勻化技術(shù)是優(yōu)化許多激光材料加工應(yīng)用不可少的步驟,。DOE通常用于激光燒蝕和激光加工系統(tǒng)，激光鉆孔,，激光切割和其他加工,，以形成表面上的小特征結(jié)構(gòu)。

DOE以激光為基礎(chǔ)的美容治療

隨著激光技術(shù)的使用成為醫(yī)美領(lǐng)域中更加*的工具,，控制激光輸出的能力變得越來越重要,。DOE提供了一種特的解決方案，允許光束以多種方式進(jìn)行操作,，同時保持元件的輕巧,。美容治療通常使用高功率激光。要求激光均勻和精確的光線曝光,，具有精確的銳利邊緣,，同時擁有高效率。這就是使用衍射光學(xué)器件進(jìn)行光束整形的理想解決方案,。DOE常用于激光脫毛,，激光紋身去除，皮膚修復(fù),，皮膚再生等等,。

衍射光學(xué)元件——分束器

分束器的工作原理非常簡單。 根據(jù)客戶的系統(tǒng)要求,，從準(zhǔn)直輸入光束,，輸出光束以分離角度從分束器DOE出來，該分離角度在DOE的設(shè)計期間確定的并且分離角度非常準(zhǔn)確（誤差<0.03mRad）,。 光束的分離是為遠(yuǎn)場設(shè)計的,。 因此，隨著光束在DOE之后繼續(xù)傳播,，它們變得更加明確,。

圖3分束器DOE，基本設(shè)置,，EFL =有效焦距,，m =多點的階數(shù)（點）,，θs=兩個焦點之間的分離角度，d = 2個焦點之間的距離（間距）,，θf= 全角,，D =光點陣列的長度

圖4 1×6多點在色散介質(zhì)中傳播

產(chǎn)生的擁有“零級"的多光斑沒有衍射并且光束遵守反射和折射定律。對于具有奇數(shù)個光束的標(biāo)準(zhǔn)分束器,，分離角度是階數(shù)+1和階數(shù)0之間的角度（階數(shù)0是期望的光束）,。 對于具有偶數(shù)個光束的標(biāo)準(zhǔn)分束器，分離角是+1階和-1階之間的角度（零階不是所需的光束）,。

衍射光學(xué)元件——使用DOE光束整形

衍射光束整形器是相位元件,，在特定工作距離處其將高斯輸入光束轉(zhuǎn)換成具有銳邊的均勻光斑。每個光束整形器都僅能在特定光學(xué)條件下使用,，也即一組特的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)：波長,，輸入光束尺寸，工作距離和輸出光斑尺寸,。

光束整形器應(yīng)用中最基本的設(shè)置包括激光器,，衍射光束整形器元件和待處理的表面。

平頂光束整形器

頂帽光束整形器用于將近高斯入射激光束轉(zhuǎn)換成圓形,，矩形,，正方形，線形或其他形狀的均勻強度的光斑,，在特定的工作平面中具有高質(zhì)量的銳利邊緣,。為獲得高質(zhì)量的光束整形器性能，激光輸出應(yīng)為單模（TEM00）,，M2值<1.3,。

通過光束整形器能夠在待處理的物體表面留下均勻的光斑點，并且在表面上能夠防止特定區(qū)域過度曝光或曝光不足,。此外,，該斑點的特征在于尖銳的過渡區(qū)域，其在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界,。頂帽光束整形器具有高效率（通常> 95％）,，優(yōu)異的均勻性（通常為±5％），陡峭的過渡區(qū)和高激光損傷閾值,。此外,，頂帽式光束整形器對輸入光束尺寸，工作距離和元件位移敏感,。平頂DOE通常用于激光材料加工應(yīng)用（激光燒蝕,，激光切割，激光鉆孔）,，美學(xué)處理（紋身和脫毛）,，科學(xué)應(yīng)用（流式細(xì)胞術(shù)）等等,。

勻化器——光束整形器

光學(xué)均化器DOE將單模或多模輸入光束轉(zhuǎn)換成明確定義的輸出光束,，其特征在于具有期望的形狀和均勻的平頂強度,。最常見的漫射器得到的形狀是圓形，方形,，矩形,，橢圓形和六邊形。同時,，幾乎可以設(shè)計任何形狀的圖像,。漫射光束的邊緣通常是陡峭的可確定的。輸入發(fā)散角與均化器的擴散角之間的比率確定了過渡區(qū)域與輸出光束的均勻化區(qū)域的比率,。為了達(dá)到光束在遠(yuǎn)場或焦平面中的強度分布達(dá)到理想,，DOE勻化器將入射光在一個半隨機的方向在半場隨機方向上分束,。該方法能夠設(shè)計出能夠產(chǎn)生任意形狀的元件,，在光強均勻的條件下具有精確輸出角度和尺寸。漫射器性能很大程度上取決于入射光束參數(shù),，此外,，通過使用高M2輸入光束可以實現(xiàn)更高的均勻性（圖7）。均質(zhì)器光束整形器對光束尺寸,，位移和元件傾斜不敏感,。它提供高激光損傷閾值，而均勻性和效率隨設(shè)計而變化,。均質(zhì)器DOE通常用于激光材料加工應(yīng)用（激光焊接,，激光釬焊），美學(xué)處理（紋身/脫毛,，身體輪廓）等等,。

圖5光束整形器DOE，基本設(shè)置,，d =成形光斑尺寸,，D =光束直徑，EFL =有效焦距,。

衍射光學(xué)元件——螺旋相位片

渦旋透鏡DOE將高斯輸入分布轉(zhuǎn)換為環(huán)形能量環(huán),。螺旋相位板是一種特的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)*由螺旋或螺旋相位組成,，其目的是控制透射光束的相位,。從“階梯"的頂部到底部的總蝕刻深度是設(shè)計波長和基板的光學(xué)指數(shù)的函數(shù)。一般條件下,，該深度與設(shè)計波長具有相同的數(shù)量級,。因此,，每個渦旋相板都是波長特異性的。光學(xué)渦旋需要輸入準(zhǔn)直的單模（TEM00）高斯輸入光束,，并且它將其轉(zhuǎn)換為TEM01軸對稱模式,。

使用更大輸入光束直徑具有兩個明顯的優(yōu)勢。首先,，較大的光束稍微降低了輸出對DOE對準(zhǔn)公差的靈敏度,。其次，較大的輸入光束直徑將能夠產(chǎn)生較小的渦流點,，這在許多應(yīng)用中通常是期望的結(jié)果,。渦旋透鏡具有高效率（通常> 90％）和較低的損傷閾值。它具有元件位移和旋轉(zhuǎn)的靈敏度,。渦旋透鏡DOE通常用于材料加工應(yīng)用（焊接）,，光學(xué)通信（光學(xué)模式轉(zhuǎn)換和生成），科學(xué)應(yīng)用（STED顯微鏡,，光學(xué)鑷子）等等,。

總結(jié)：

近年來，衍射光學(xué)元件已經(jīng)成為一種成熟并且廣泛應(yīng)用的技術(shù),。DOE技術(shù)主要應(yīng)用于光束整形和分束等,。其主要是應(yīng)用于激光材料加工應(yīng)用，醫(yī)美和科學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域,， 并且擁有很大的市場,，占整個激光應(yīng)用市場很大一部分。由于對激光功率不斷提高以及對精確度要求不斷的嚴(yán)格,，DOE的高激光損傷閾值和高精確的特點使其成為解決激光應(yīng)用問題的有效方案,。

holoor衍射光學(xué)元件DOE 分束器 光束整形器

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