Elementy optyczne dyfrakcyjneDOE Przetwarzanie materiałów laserowych, medycyna

Elementy optyczne dyfrakcyjne

Elementy optyczne dyfrakcyjne (DOEWykorzystanie konstrukcji mikrostrukturalnej do zmiany fazy światła, które rozprzestrzenia się. Rozumna konstrukcja mikrostruktury oryginalnej powierzchni dyfrakcji optycznej umożliwia wyjście dowolnego światła zgodnego z zaprojektowanym rozkładem intensywności światła podczas wejścia określonego światła.DOETechnologia umożliwia wiele funkcji i operacji światła, które nie są możliwe w tradycyjnych systemach optycznych. W wielu zastosowaniach technologie te znacznie poprawiają wydajność systemu. Optyka dyfrakcyjna ma wiele zalet, takich jak: wysoka wydajność, wysoka dokładność, małe rozmiary, niska waga i, co najważniejsze, elastyczność do spełniania różnych wymagań zastosowań.

DOEProdukty: Rozdzielniki promieni i formowniki promieni.

Rozdzielnik promieniDOESłuży do podzielenia pojedynczego promienia lasera na kilka promieni, z którymi każda ma te same właściwości jak promień wchodzący (z wyjątkiem mocy i kąta rozprzestrzeniania się). Według wzoru dyfrakcji rozdzielnika,Rozdzielnik może wytworzyć1Masyw promieni wymiarowych (1×Nlub2Matryca promieni światła (M×Nw). RozdzielnikDOEPromienie wchodzące mogą być również podzielone na różne rozkłady plam, takie jak okrągłe, losowe wzory, sześciokątne tablice itp. Rozdzielniki promieni muszą być używane w połączeniu z jednokolorowym światłem (np. promienią laserową), a różne rozdzielniki promieni mają określoną długość fali i kąt oddzielania między określoną promienią wyjściową.

Cały promień jest w stanie przekształcić promień Gaussa na powierzchni roboczej w równomierną, okrągłą, prostokątną, kwadratową i liniową promień światła z konturami krawędzi (rozkład intensywności światła). Bardzo wyraźna, a jednocześnie formownik promieni zapewnia równomierne rozkład intensywności wyjściowej, dzięki czemu podczas obróbki laserowej można równomiernie traktować powierzchnię, zapobiegając nadmiernej lub niewystarczającej ekspozycji w określonym obszarze. Ponadto plama ma strymi obszarami przejściowymi, co tworzy wyraźną granicę między obszarami przetwarzanymi a nieprzetwarzanymi. Seria formatorów promieni obejmuje egalizatory,top-hat, soczewki spiralne (płyty fazowe spiralne) i stożki osi dyfrakcyjnej.

DOETypowe zastosowanie

Wraz z rosnącą mocą lasera, wiele elementów optycznych użytkowników zintegrowanych systemów może nie wytrzymać laserów o wysokiej mocy. Dlatego próg uszkodzenia indukowanego laserem (LIDTlubLDTParametry stają się ważnym czynnikiem przy wyborze elementów optycznych. Wysoki próg uszkodzeń elementów optycznych dyfrakcyjnych sprawia, że są idealne dla systemów i zastosowań przemysłowych o wysokiej mocy. Zastosowania w obróbce materiałów laserowych oraz kosmetyka medyczna oparta na laserze wymagają laserów o wysokiej mocy.

Wykres1Różne rozkład plam promieniowania, od lewej do prawej:5×5tablica, losowa, tablica sześciokątna, okrągła

Wykres2Rezultaty różnych kształtów promieni, od lewej do prawej: homogenator, płaskie światło, soczewki wirowe i pryzmaty dyfrakcyjne

Zastosowanie elementów optycznych dyfrakcyjnych w zastosowaniach do obróbki materiałów laserowych

Ostatnio wzrosło rozwój nowych systemów laserowych do potrzeb przemysłowych. Wiele nowych procesów zostało opracowanych, a wiele tradycyjnych procesów przetwarzania zostało zastąpionych procesem przetwarzania laserowego. Obróbka materiałów laserowych stanowi dużą część całego rynku laserów,DOEOdgrywa ważną rolę w zapewnieniu kształtowania promieni laserowej w procesie adaptacyjnym. Technologia formowania i jednorodnienia promieni laserowych jest niezbędnym krokiem do optymalizacji wielu zastosowań w obróbce materiałów laserowych.DOEZwykle używane do erozji laserowej i systemów obróbki laserowej, wiercenia laserowego, cięcia laserowego i innych procesów obróbki, aby utworzyć małe struktury charakterystyczne na powierzchni.

DOETerapia kosmetyczna oparta na laserze

W miarę jak zastosowanie technologii laserowej staje się coraz bardziej niezbędnym narzędziem w dziedzinie medycyny i estetyki, zdolność do kontrolowania wyjścia lasera staje się coraz ważniejsza.DOEOferuje wyjątkowe rozwiązanie, które pozwala na obsługę promieni na wiele sposobów, zachowując jednocześnie lekkość elementów. Terapia kosmetyczna zazwyczaj wykorzystuje lasery o wysokiej mocy. Wymaga równomiernej i precyzyjnej ekspozycji na światło laserowe z precyzyjnymi ostrymi krawędziami przy jednoczesnej wysokiej wydajności. Jest to idealne rozwiązanie do formowania promieni za pomocą urządzeń optycznych dyfrakcyjnych.DOECzęsto stosowane do depilacji laserowej, usuwania tatuażu laserowego, naprawy skóry, regeneracji skóry itp.

Elementy optyczne dyfrakcyjne - rozdzielacze

Zasada pracy rozdzielnika jest bardzo prosta. W zależności od wymagań systemowych klienta, promień wejściowy z prostej, promień wyjściowy pod kątem oddzielenia od rozdzielnikaDOEWyjdź, kąt separacji jestDOEOkreślony podczas projektowania i bardzo dokładny kąt oddzielenia (błąd)<0.03mRadw). Oddzielanie promieni światła zostało zaprojektowane dla odległych pól. Tak więc wraz z światłemDOENastępnie rozprzestrzeniają się, stają się bardziej wyraźne.

Wykres3RozdzielnikDOEustawienia podstawowe,EFL =efektywna odległość ogniskowa,m =Liczba punktów (punktów), θs=kąt oddzielenia między dwoma fokusami,d = 2odległość pomiędzy ogniskiem, θf= Cały rog,D =Długość tablicy punktów świetlnych

Wykres4 1×6Wieloponktowe rozprzestrzenianie się w nośniku rozproszonym

Powstałe plamy wielofunkcyjne o "stopniu zerowym" nie odbijają się, a promień przestrzega praw odbicia i odbicia. W przypadku standardowych rozdzielaczy promieni nieprawidłowych kąt oddzielania jest liczbą rzędów+1i liczba klas0Kąt pomiędzy (liczba rzędów)0jest oczekiwanym światłem). W przypadku standardowych rozdzielników z parną liczbą promieni, kąt oddzielania jest+1klasy i-1Kąt pomiędzy stopniami (stopnie zero nie jest wymaganym promieniem światła).

Elementy optyczne dyfrakcyjne - zastosowanieDOEFormacja promieni

Formator promieni dyfrakcyjnej to elementy fazowe, które w określonej odległości roboczej przekształcają promień wejściowy Gaussa w równomierne plamy o ostrych krawędziach. Każdy plastifikator promieni może być używany tylko w określonych warunkach optycznych, tj. w unikalnym zestawie parametrów systemu optycznego: długość fali, wielkość promieni wejściowej, odległość robocza i wielkość plamy wyjściowej.

Najbardziej podstawowe ustawienia w zastosowaniach plastifikatora promieni obejmują laser, elementy plastifikatora promieni dyfrakcyjnej i powierzchnię do obróbki.

Formator promieni płaskiej

Formator promieni górnej czapki jest używany do konwersji promieni laserowej wpuszczającej Gaussa w plamy o równej intensywności w okrągłych, prostokątnych, kwadratowych, liniowych lub innych kształtach o wysokiej jakości ostrych krawędziach w określonej płaszczyźnie roboczej. Aby uzyskać wysoką jakość wydajności formatora promieni, wyjście laserowe powinno być jednomodułowe (TEM00），M2Wartość<1.3- Nie. Nie.

Pozostawia równomierne plamy światła na powierzchni przedmiotu do obróbki i zapobiega nadmiernej lub niewystarczającej ekspozycji określonego obszaru. Ponadto plama charakteryzuje się ostrymi obszarami przejściowymi, które tworzą wyraźną granicę między obszarami przetwarzanymi a nieprzetwarzanymi. Maszyna kształtowania promieni z wysoką wydajnością (zazwyczaj> 95doskonała jednorodność (zazwyczaj ±5Strome strefy przejściowe i wysoki próg uszkodzeń laserowych. Ponadto kształtnik promieni z kapuchową górną jest wrażliwy na rozmiar promieni wejściowej, odległość roboczą i przesunięcie elementu. Płaski szczytDOEZwykle stosowane w zastosowaniach obróbki materiałów laserowych (korozja laserowa, cięcie laserowe, wiercenie laserowe), obróbce estetycznej (tatuaże i depilacja), zastosowaniach naukowych (cytometria strumieniowa) i wielu innych.

Homogenator - formownik promieni

Ewalizator optycznyDOEKonwersja promieni wejściowej jednomodusowej lub wielomodowej w jasno zdefiniowane promienie wyjściowe, które charakteryzują się pożądanym kształtem i równomierną intensywnością płaskiego szczytu. Najczęstsze kształty uzyskane przez rozprzestrzeniacze są okrągłe, kwadratowe, prostokątne, eliptyczne i sześciokątne. Jednocześnie można zaprojektować obrazy niemal każdego kształtu. Krawędzie rozproszonych promieni są zazwyczaj strome do określenia. Stosunek pomiędzy kątem rozproszenia wejściowego a kątem rozproszenia w ekwalizatorze określa stosunek obszaru przejściowego do obszaru wyrównania promieni wyjściowej. Aby osiągnąć idealny rozkład intensywności promieni w odległym polu lub płaszczyźnie ogniskowej,DOEHomogenator podziela światło wchodzące w pół losowym kierunku w pół losowym kierunku pola. Metoda ta umożliwia projektowanie elementów zdolnych do wytwarzania dowolnego kształtu z dokładnym kątem wyjściowym i wymiarami w warunkach równomiernej intensywności światła. Wydajność rozprzestrzeniacza zależy w dużej mierze od parametrów promieni wejściowej, ponadto dzięki zastosowaniu wysokiejM2Promień wejściowa pozwala osiągnąć większą jednorodność (rysunek)7w). Formulatory promieni homogenizatora nie są wrażliwe na rozmiar promieni, przesunięcie i nachylenie elementu. Zapewnia wysoki próg uszkodzeń laserowych, a jednorodność i wydajność zmieniają się w zależności od projektu. HomogenatorDOEZwykle stosowane w zastosowaniach obróbki materiałów laserowych (spawanie laserowe, lutowanie laserowe), obróbki estetyczne (tatuaże)/depilacja, profil ciała) itp.

Wykres5Formator promieniDOEustawienia podstawowe,d =kształtowanie wielkości plamy,D =Średnica promieni,EFL =Efektywna odległość ogniskowa.

Wykres6Rozkład siły czapki, lewa: kwadratowa, prawa: okrągła

Wykres7Wydajność homogenatoraM2Zmiany, lewo:M2 = 1Prawa:M2 = 10 Wykres8Soczewka wirusowaDOEFaza schodów

Elementy optyczne dyfrakcyjne - faza spiralna

Soczewka wirusowaDOEKonwertuje rozkład wejściowy Gaussa na pierścień energii. Płyta fazowa spiralna to wyjątkowy element optyczny, którego struktura składa się całkowicie z fazy spiralnej lub spiralnej, której celem jest kontrolowanie fazy promieni transmitującej. Całkowita głębokość trawienia od góry do dołu "drabiny" jest funkcją długości fali projektowej i wskaźnika optycznego podłoża. Ogólnie rzecz biorąc, głębokość ta ma ten sam poziom wielkości jak długość fali projektowana. Każda płyta wirowa jest specyficzna dla długości fali. Wirbel optyczny wymaga wejścia prostego pojedynczego modułu (TEM00Gauss wprowadza promień światła i przekształca go wTEM01Tryb symetrii osi.

Korzystanie z większej średnicy promieni wejściowej ma dwie oczywiste zalety. Po pierwsze, większe promienie lekko zmniejsza parę wyjściową.DOEDostosowanie wrażliwości tolerancji. Po drugie, większa średnica promieni wejściowej będzie w stanie wytworzyć mniejsze punkty wiru, co jest zwykle pożądanym wynikiem w wielu zastosowaniach. Soczewki wirusowe mają wysoką wydajność (zazwyczaj> 90% i niższy próg uszkodzeń. Posiada wrażliwość na przesunięcie i obrot elementów. Soczewka wirusowaDOEZwykle stosowane w zastosowaniach przetwarzania materiałów (spawanie), komunikacji optycznej (konwersja i generacja wzorów optycznych), zastosowań naukowych (STEDmikroskopy, pincety optyczne) itp.

Podsumowanie:

W ostatnich latach elementy optyczne dyfrakcyjne stały się dojrzałą i szeroko stosowaną technologią.DOETechnologia jest stosowana głównie do formowania i podziału promieni. Jest stosowany głównie w takich dziedzinach jak zastosowania do przetwarzania materiałów laserowych, zastosowania medyczne i estetyczne i ma duży rynek, który stanowi dużą część całego rynku zastosowań laserowych. Ze względu na ciągle rosnącą moc lasera i ścisłe wymogi dotyczące dokładności,DOEWysoki próg uszkodzeń laserowych i wysoka precyzja czynią go skutecznym rozwiązaniem problemów z zastosowaniami laserowymi.