激光加工用到的衍射光学元件类型

        衍射光学元件已经在许多领域取得了广泛的应用。其中，激光加工是衍射光学元件的一个重要应用领域，衍射光学元件由于具有尺寸小、可设计输出光斑能量分布和损伤阈值超高的特点，可以应用于各种高端激光加工。目前激光加工用到的衍射光学元件类型主要有：光束整形器，分束器，衍射锥透镜，螺旋相位板，匀光片和多焦点长焦深。

        衍射光学元件的技术雏形是二元光学，从八十年代开始逐步实现产业化，经过多年的发展，衍射光学元件在激光加工领域的应用已经非常成熟。现在工业生产的DOE都具有高损伤阈值、高精度、高衍射效率、小尺寸、重量轻和的特点，而且在长时间的运行过程中稳定可靠，特别适合高能量密度、大功率的激光器使用。下面对常用的激光加工DOE类型进行介绍，涵盖了激光加工了90%以上的DOE应用。

1. 光束整形器，激光光束整形器

        激光光束整形器的作用是获得能量分布均匀、边缘锐利、具有特定形状的平顶光斑。这种光斑位于焦平面附近，尺寸一般在几十微米到几百微米的范围，光斑形状可以是圆形，矩形，正方形，直线，椭圆或定制图形，具有非常好的能量均匀性，能够实现各种高精度的激光加工应用。

激光光束整形器规格参数

光束整形器的特点：

-高度均匀性、高光效、边缘陡峭

-高损伤阈值，可以配合几千瓦甚至上万瓦的激光器使用

-衍射效率>95%

-覆盖几乎所有的工业激光器波段

光束整形器在激光加工中的应用：

-激光切割，激光划片

-激光烧蚀

-激光熔融，激光消融

-激光打孔，激光钻孔

-激光快速成型，激光3D打印

2. 分束器

激光分束器又分为一维分束器和二维分束器，在激光加工中使用较多是一维分束器。1D Beam splitter 的作用是使一束激光在某一平面上分成多束向不同角度传播的激光，配合聚焦镜后在垂直于传播方向的平面上形成多个焦点，不同光束之间的夹角相等。

-适用于单模或多模激光输入

-熔融石英材料，高能量阈值

-衍射效率>95%

-安装简单，装配精度要求不高

-可定制输出激光光束的数量和夹角

一维激光光束分束器的应用

-激光切割，激光划片

-平行激光材料加工

-玻璃切割

-薄膜材料打孔

3. M形光束整形器

M型光束整形器一般用于激光划线或切割的加工，其作用是把入射激光整形为M波形（M-Shape），而M波形（M-Shape）指的是激光光斑沿某一方向匀速滑动，积分后的能量均匀分布，即形成一条能量均匀分布的窄直线。M-Shape激光光斑的这个特性使得其特别适用于激光材料加工。

M波形光束整形器的特点

-标准的M型输出（积分前）

-整个激光扫描线的能量均匀分布（积分后），光斑边缘锐利

-高效率，高损伤阈值，适用于大功率激光器

3. 匀光片

        匀光片又称为匀化器，作用是使激光的光束以一个较大的角度均匀发散，从而使激光能量在一个较大的范围内均匀分布。匀光片的功能和光束整形器类似，不同之处在于匀光片用于多模激光，一般形成大光斑，光束整形器用于单模激光，一般得到小光斑。

        目前，匀光片已经在激光焊接设备中取得了广泛应用。

匀光片特点

-一般用于多模激光

-易于装配，对激光的轴向性无严格要求

-可实现任意的输出光斑形状和激光光斑对称性/不对称性，可定制激光剖面强度部分

-激光光斑截面强度一致性好

4. 螺旋相位板，涡旋相位板

        螺旋相位板是DOE元件，其作用是产生直径较小的圆环形光斑（Vortex），光斑的外观像一个漩涡状的甜甜圈，也称为漩涡光。螺旋相位片是一种获得漩涡光的直接简单的方法，它能够方便地设计漩涡光的直径和拓扑荷数，满足用户的实际需求。

螺旋相位板的特点：

-可定制拓扑荷数

-高效率，高损伤阈值，适用于大功率激光器

-背反射能量极小

-覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um

5. 多焦点长焦深DOE

        长焦深DOE和多焦点DOE互为补充，特别适合于激光材料加工领域。例如激光透明材料的切割（玻璃，蓝宝石等），激光度量学，激光过程监控/监测、显微镜等。

        多焦点DOE是利用对照射到镜片不同局域的入射激光分别聚焦，在轴向传播方向上同时得到多个焦点，各焦点的能量、间距几乎相等，特别适合于深入透明材料内部加工，例如激光深度切割，隐形切割，0.1~1mm的玻璃或蓝宝石切割。

        长焦深DOE能够把入射激光在焦距附近产生一个能量近乎均匀分布、焦深的长度达几十微米到几毫米的焦点。激光焦点可拉长为原来的几十倍，且宽度基本保持不变。能量均匀的长焦深光斑特别适合对材料进行深度切割。

6.    衍射锥透镜

        在传统的应用中，衍射轴锥镜又称为圆环激光发生器（Ring Axicon），其作用是使激光光束通过后变成一个圆环，即激光能量以圆环/圆形的方式分布，这里圆环的宽度一般很窄，不同于激光涡镜头产生的光斑都具有一定宽度。

        近年来，衍射锥透镜由于能够产生性能优良的贝塞尔光束，被大量应用到玻璃切割领域。

衍射锥透镜特点：

-高损伤阈值，适用于大功率激光器

-小尺寸衍射光学元件，结构紧凑

-大角度和小角度均可提供

-可提供正向负向轴棱镜

-覆盖紫外到红外的所有激光波段，193nm to 10.6um

-可选镀增透膜

衍射锥透镜应用：

-激光加热

-激光玻璃切割

-太阳能集中器

-光学相干断层成像