回折光学素子DOEの分類と選び方をご存知ですか？ (パート 1) - レーザーモジュール

回折光学素子 (DOE) レーザー 近年開発が盛んに行われている新しい光学素子です。 DOEは通常、マイクロ・ナノ・エッチング・プロセスを採用して回折素子の二次元分布を形成し、各回折素子は特定の形態、屈折率などを持つことができ、レーザー波面の位相分布を微調整することができます。レーザーは各回折ユニットを通過した後に回折し、特定の距離 (通常は無限遠またはレンズの焦点面) で干渉し、特定の光強度分布を形成します。

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図 1: A) 回折光学素子の概略的な使用法。 B) 概要。 C) 表面微細構造の概略図

高出力レーザー、レーザー加工、レーザー医療、顕微鏡イメージング、LiDAR、構造化光照明、レーザーディスプレイ、およびその他の分野で回折光学素子が出現し、大きな応用可能性を示した後、その利点は主に次のとおりです。

1) 高効率。正確に設計された回折ユニット構造により、レーザーエネルギーのほぼ 100% が必要なパターンに投影されることが保証され、その効率はマスクや他の手段よりもはるかに高くなります。

2) 使いやすい。回折光学素子はサイズと重量が非常に小さいため、光路に挿入して使用できます。ほとんどの場合、標準レンズ、フィールドミラー、顕微鏡対物レンズなどと併用できます。

3) 柔軟性。マイクロおよびナノ加工技術の急速な発展のおかげで、DOE はさまざまなレーザーやさまざまなターゲット光強度/位相分布に合わせてカスタマイズできます。同時に、DOE アプリケーションの光路構造は非常にシンプルであり、さまざまなレンズを使用してさまざまな幾何学的サイズの光スポットを実現できます。

新しいタイプの光学デバイスである回折光学素子は、その特性を理解した上で選択・使用する必要があります。

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2. 回折光学素子の選択の基本原則

さまざまな用途に応じて、DOE は通常、ビーム整形、ビーム分割、構造化光、マルチフォーカス、その他の特殊なビーム生成などに分類できます。各カテゴリには、異なる原理、設計、およびアプリケーション特性があります。一般に、DOE コンポーネントの使用を選択する前に、次の原則に注意する必要があります。

1) 回折光学素子によって生成されるビームは、光の伝播法則に違反することはできません。それによって構築される特定の光強度分布は、特定の被写界深度内でのみ存在できます。したがって、使用時には、必要なスポットのトポグラフィー、サイズ、作動距離、被写界深度などを両方とも実現できない場合があり、トレードオフを行う必要があります。

2) 回折光学素子は通常、レーザー波長、ビーム口径、ビームモード (M2)、および近接場強度分布に従って設計されるため、選択前にこれらのパラメーターをより正確に測定する必要があります。使用パラメータと設計パラメータが一致しないと、使用効果が低下したり、使用されなくなったりする可能性があります。

3) 回折光学素子は入射光の角度に敏感であり、より優れた光路調整精度と安定性を必要とします。

4) ほとんどの回折光学素子は、入射レーザーの波面位相を正確に制御するため、反転/透過レンズ、レンズなどの光路内の他のコンポーネントは、高精度で低波長差のデバイスを使用する必要があります。最終的な効果に影響します。

5) 従来の透過光学素子と同様に、さまざまな波長とレーザー強度の要件に応じて、回折光学素子は石英、ガラス、宝石、プラスチックおよび樹脂、ZnSe、およびその他の赤外線材料で作ることができ、メッキすることもできます。反射防止フィルム。

3. ビーム整形要素

DOE によるビーム整形では、作業面上で指定されたスポット形状 (正方形、多角形、ストリップ、リング、円など) とエネルギー分布 (フラットトップ、ガウス、リング、M 型など) を実現できます。

1) トップハットジェネレーター

フラットトップ分布はレーザー医療美容、レーザー加工、表面処理など様々なシーンで利用されています。フラットトップビーム発生器は単一横モードレーザー（ガウス分布、M2）を変換できます。< 1.3) Transform into a circular, square, strip, and other uniform light intensity and clear edge distribution.

① フラットトップビーム発生器の特徴：

· シングル横モードガウスビーム、M2 < 1.3 に適しています。

· フラットトップ発生器は、ガウスビームのウエストに配置すると最も効果的です。

· フラットトップ発生器は、回折限界 (通常は回折限界の 1.5 ～ 5 倍) より小さいスケールのスポットを生成できません。

· フラットトップ発生器を使用する場合、光学素子は低い波長差を必要とし、有効開口は入射ビームのウエスト直径の 2 倍以上、できれば 2.5 倍である必要があります。

· ターゲットのビーム形状と強度分布は、特定の距離範囲内 (通常はスポットサイズの半分) 内でのみ維持できます。

・入射光径、入射光中心位置、入射角度などに敏感です。

②フラットトップビーム発生器の主な用途：

・レーザー加工・処理：微細穴、穴あけ、溶接、切断、マーキング、腐食

・医療と美容

・レーザーディスプレイ

・マーキングと印刷。

2) 光学ディフューザー/ホモジナイザー

ビームホモジナイザーは、光スポットのさまざまな形状とエネルギーの均一な分布 (または特定の分布) を生成することもできます。ガウスビームをフラットトップ分布に変えるフラットトップビームジェネレーターとは異なり、ビームホモジナイザーは不均一で不規則に分布したスポットを均一化します。シングルモード用フラットトップビーム発生器（M2< 1.3) Laser use, beam homogenizer for multi-mode laser homogenization effect is better.

ビームホモジナイザーは通常、デバイスを通過した後の平行ビームの発散能力を特徴付けるために「拡散角」を使用します。異なる焦点距離のレンズを選択して、異なる投影領域を実現できます。

①ビームホモジナイザーの使用特性：

· 垂直方向の配置や横方向のずれの影響を受けません。

· 入射角の偏差により、ゼロ次数がわずかに増加します。

· 入射光のサイズと偏光の影響を受けません。光学コンポーネントの品質に対する特別な要件はありません。

· M2 が小さいシングルモードレーザーの均質化効果は良くなく、干渉縞はありますが、パターンエッジは鮮明です。大きな M2 を備えたマルチモードレーザーの均質化効果は非常に優れていますが、エッジがわずかにぼやけています。

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