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Reflective Laser Beam Shaping

適合高功率和短脈衝期的光束整形鏡頭

 

反射式軸稜鏡可產生具有最佳景深的高品質貝索光束

 

沒有色像差,可保留超快雷射的脈衝期

 

低損耗光束整形鏡頭利用反射式多平面光線轉換 (MPLC) 技術

 

適用於雷射材料加工、醫療應用和積層製造

對許多精密的雷射應用而言,將具有高斯輪廓的雷射光束整形為平頂光束或貝索光束至關重要。雖然通常使用折射式光束整形鏡頭光學元件,但反射光束整形器和軸稜鏡可消除傳輸損耗,處理更高功率的雷射,此外還能消除色散,使其成為超快系統的理想選擇。反射光束整型器適用於微材料加工和其他高度精密的雷射應用。超快雷射和其他雷射技術持續演進發展,因此有越來越多系統使用光束整型器以提高效率和精度。

反射式軸稜鏡

穿透式軸稜鏡是錐形光學元件,可在遠場將入射平行光轉換為環形光束輪廓,並在近場特定區域近似貝索光束。在貝索光束區域中,光束傳播時不會繞射和擴展,如圖 2 所示。事實上貝索光束寬度可能小於繞射極限。

離軸反射式軸稜鏡可產生高品質的貝索光束,提供多項效益超越穿透式軸稜鏡。反射式軸稜鏡產生的貝索光束,比穿透式設計更接近理想狀態,並且對高功率雷射具有更高的抵抗力。由於傳播時不必通過光學介質,因此也能消除色散,在超快雷射應用中維持脈衝期。圖 1 顯示以反射式軸稜鏡產生貝索光束的一般示意圖。

This off-axis reflective axicon closely approximates a Bessel beam over a given region and then continues to propagate in a ring-shaped distribution
圖 1:此離軸反射式軸稜鏡可在特定區域形成非常近似的貝索光束,然後繼續以環形分佈傳播。

反射式軸稜鏡產生的貝索光束具有高度集中的光線,非常適合雷射材料加工,例如在玻璃和其他透明材料中進行的奈米通道鑽孔。1 首先鑽出奈米通道然後施加力量,可使玻璃沿孔破裂,達到最高的玻璃切割效率。孔的尺寸能以高再現性精密控制。如需進一步瞭解軸稜鏡,請造訪深入瞭解軸稜鏡應用說明

The intensity distribution of a Bessel beam formed with a reflective axicon (above) and a nano-channel drilled into glass using a Bessel beam (bottom), courtesy of Cailabs4
圖 2:以反射式軸稜鏡(上方)形成貝索光束的強度分佈,以及使用貝索光束(下方)在玻璃鑽出的奈米通道,由 Cailabs2 提供。

多平面光線轉換 – 反射式光束整形鏡頭的秘密

多平面光線轉換 (MPLC) 是一種低損耗光束整型程序,其中包含相位板和自由空間傳播。3 MPLC 是多光束系統的理想選擇,因為光束可以同時整形。MPLC 可透過穿透式及反射式組態完成,其中反射式 MPLC 系統可避免傳播通過折射光學元件而產生的色散和吸收。此項技術由位於雷恩的法國深度技術公司 Cailabs 開發。

利用 MPLC 的反射式光束整形器通常配置為多通腔,其中入射雷射光束會在反射相位板和反射鏡之間多次反射,以產生所需的輸出光束輪廓。這些系統受益於高度的模式選擇性和低插入損耗。請觀看以下影片進一步瞭解 MPLC。

由 Cailabs 提供的 MPLC 概述

使用 MPLC 產生平頂光束可提升精度,加強微材料加工等雷射應用的效率。平頂光束可沿著特徵側減少熱效應以提升加工品質,實現平坦邊緣。橫向光束形狀也可量身打造正方形,盡可能減少側邊重疊和材料浪費(圖 3)。4 MPLC 系統可接受許多不同的雷射模式,並且可以量身打造以拒絕不需要的模式,降低對不完美輸入光束和長期光束變化的敏感度。反射式光束整形鏡頭的其他效益,包括與檢流計掃描器相容、更高的製造良率、縮短加工時間,以及在飛秒之中無色散。使用 MPLC 的反射式光束整形鏡頭,還可在雷射焊接、標示、表面結構和積層製造等領域提升精度。

These square features were micro-drilled with a CANUNDA-PULSE reflective laser beam shaper with an Amplitude Ultrafast Laser, and their shape minimizes side overlap and material waste. Image courtesy of Cailabs
圖 3:這些方形特徵是以 CANUNDA-PULSE 反射式雷射光束整形器搭配振幅超快雷射進行微鑽孔而成,其形狀可盡量減少側邊重疊和材料浪費。影像由 Cailabs 提供。

參考資料

1. Laroui, Sami. “Glass Cutting Using Bessel Beams.” Cailabs, 21 Mar. 2019, https://blog.cailabs.com/en/glass-cutting-using-bessel-beams/.

2. Meyer, Remi, et al. “Beam Shaping Aids Transparent Materials Processing.” The Laser User, no. 84, Mar. 2017, pp. 28–29.

3. “Multi-Plane Light Conversion Technology.” Cailabs, https://www.cailabs.com/en/technology/.

4. “Canunda Pulse Datasheet”. Cailabs

愛特蒙特光學®的反射式光束整形鏡頭

愛特蒙特光學 (EO) 的反射式 Canunda 軸稜鏡可形成高品質的貝索光束,並且可以處理高功率和超快短脈衝。Canunda 軸稜鏡形成貝索光束時,不會在強度分佈中產生振盪,比折射式軸稜鏡更接近理論上的輪廓。反射設計和精確的頂角製造也消除色散,使其成為超快雷射的理想選擇。

常見問題解答

FAQ  為什麼色散對於超快雷射系統很重要?
脈衝期減少時,雷射脈衝的波長光譜會增加,因此超快雷射的短脈衝期會導致頻寬較寬。這樣的寬頻寬會在超快脈衝穿過光學介質(例如顯微鏡物鏡、聲光調變器、窗鏡、鏡頭和濾光片)時,受到色散的嚴重影響。如需更多資訊請參閱此處
FAQ  反射式 Canunda 軸稜鏡可以處理的峰值能量為何?

Canunda 軸稜鏡採用低損耗鍍膜及反射設計,運作時非常適合搭配最高 1mJ 的高能量雷射,即使在飛秒狀態下也沒問題。

FAQ  多平面光線轉換 (MPLC) 是否用於材料加工以外的其他應用?

是的,由 Cailabs 開發的 MPLC 也可用於光纖通訊,可在多模光纖系統增加頻寬,不會大幅提升系統複雜度和成本,此外也能過濾大氣擾動及結合雷射,同時維持低發散性,適用於地面至衛星等光學通訊。

FAQ  怎麼樣的脈衝期可稱為「超快」雷射?
一般將具有皮秒、飛秒及埃秒脈衝期 (<100ps) 的雷射脈衝視為「超快」。

資源

影片

資訊豐富的企業或教學影片,除了介紹各種簡單秘訣,也提供以應用為基礎的產品優勢展示。

Introduction to Laser Optics Lab

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應用說明

技術資訊及應用範例包括理論說明、方程式、圖示及其他各項。

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