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    擴散器——可使任何準直輸入光束轉換為具有強度均勻的輸出光束

    時間:2021-08-09 來源:新特光電 訪問量:1079

    擴散器又名均勻化器/光學漫射器衍射光學元件(DOE):允許將單?;蚨嗄]斎牍馐D換成明確定義的輸出光束,即具有想要的任意形狀以及均勻的強度分布。

    擴散器是一種可以漫射光的裝置,即本質上意味著強烈擾亂其波前并降低其空間相干性。換句話說,對于入射光的特殊輪廓的不同部分,可以獲得光學相位的隨機或偽隨機變化。例如,如果高度空間相干的激光束擊中擴散器,從擴散器發出的光可能不再具有光束的特性,而是在很寬的方向上傳播。然而,不同設備之間的擴散程度和詳細特性可能會有很大差異。它們中的一些具有基本上具有朗伯特性的光輸出,而其他的與該特性大不相同,例如表現出相對窄的鐘形散射分布。擴散器可以具有不同的幾何形狀,以適應不同的應用。例如,有擴散板,通常具有圓形或矩形區域和例如幾毫米的小厚度。此外,還有可應用于各種表面(例如金屬或塑料)的漫射涂層。注意在光學領域之外還有其他種類的擴散器,這里不做處理;例如,一些擴散器用于控制氣流。

    均質器/擴散器DOE

    光束均質器/擴散器DOE主要有利于當需要尖銳形狀的邊緣時促進均勻曝光,同時保持小角度的發散和較高的傳輸效率。 最常見的形狀是:圓形,方形,矩形,橢圓形和六邊形,但是,任何形狀的圖  樣我們都可以設計制作。同樣的,也可以是圖樣的自定義強度分布,使得不同區域呈現更高/更低的能量。

    光束均質器/擴散器特點

    • 統一/自定義的強度分布特性

    • 任何輸出形狀或對稱性

    • 單/多模輸入光束都適用

    • 低中心要求

    • 高能量閾值

    • 波長范圍:紫外到紅外

    • AR/AR 涂層

    擴散器的工作原理

    在大多數情況下,但并非所有情況下,擴散器的工作原理是基于具有高度隨機結構的靜止材料上或內的光散射或折射。一些例子:可以在反射幾何中的白色陶瓷或噴砂(因此具有微結構)光學表面上使用漫散射。一些設備在鏡面頂部具有散射介質,例如受保護的金屬涂層鏡。在簡單的情況下,即使是一張白紙也足夠了?;蛘?,可以通過一塊磨光玻璃、噴砂玻璃或化學蝕刻玻璃(也稱為磨砂玻璃或乳玻璃)或包含許多散射中心的光聚合物傳輸光。在某些情況下,人們使用具有結構化表面的玻璃或塑料光學器件,這樣就可以像在小棱鏡上一樣獲得折射。還有透射式或反射式微光學擴散器,包含偽隨機結構,其中入射光束的每個部分都經歷光學相位的準隨機變化。此類設備通常用作全息擴散器,其中每束光束獲得(準)隨機相變,但不會經歷多次隨機散射過程??梢酝ㄟ^使用合適的全息圖案設計來控制散射光分布。例如,可以實現給定的透射光角度分布,同時在很大程度上避免任何背反射。人們可以在含有適當密度的散射中心的液體或氣體中利用隨機光散射。

    隨機光學擴散器通常包含大致圓形的散射中心,或者有時具有非常隨機的形狀。例如,磨砂玻璃可能含有微小氣泡,空氣和玻璃之間強烈的折射率對比會導致大量散射。

    透射式和反射式擴散器

    一種區分反射擴散器(=后向散射擴散器)和透射擴散器(=前向散射擴散器)。前者通常是表面擴散器,散射發生在不透明材料的表面,而透射擴散器可能是體擴散器,其中散射發生在透明介質的體積內,或者也利用表面散射。一些擴散器是半透明的,即一部分光被透射,而另一部分被漫反射。許多設備都使用可見光工作,但它們通常也可以使用紅外光,例如來自激光二極管的光。還有適用于紫外線的擴散器。固定的光學設備有時不足以滿足應用需求;然后可能需要旋轉擴散板,其中輸入光束輪廓的每個點不再獲得時間恒定的相位變化。在某些情況下,擴散器與濾光器同時工作,例如表現出與波長相關的吸收程度。例如,有彩色玻璃擴散器。

    擴散器性能

    擴散器的理想性能究竟意味著什么在很大程度上取決于應用,性能的兩個核心方面通常如下:

    出射光的空間特性(基本上是其角分布)通常很重要。例如,人們可能需要散射強度在某個角度范圍內的平滑分布。有時,目標是近似完美朗伯光源的特性,而在其他情況下,只需要在較小的角度范圍內進行散射。通常,輸出特性幾乎不依賴于入射光的空間特性。但是請注意,在某些操作條件下(例如,使用緊密聚焦的 激光),擴散器之后可能仍然存在大量空間相干性。此外,只有具有足夠大的光學帶寬的照明才能獲得平滑的輸出強度分布; 每個特定頻率分量可能有特征空間結構,但該結構可能會在某個光學帶寬上平均。

    通常希望具有高效率,即獲得散射到所需輸出角范圍內的大部分入射光功率。根據應用,該要求適用于特定范圍的光波長。最少量的吸收通常不僅是為了獲得盡可能明亮的光輸出,而且是為了在高光功率水平下最大限度地減少熱效應。

    對于某些應用,需要非常特殊的光學特性。一些例子:

    • 散射可能需要限制在板的某些區域。

    • 產生的角度分布可能必須特別獨立于光學波長。

    • 散射可能只發生在一個方向,但不會發生在垂直于它的方向。

    可能還需要特殊的幾何形狀或安裝選項,或與其他光學元件(如非球面 透鏡)的組合。使用高質量工程擴散器(例如基于玻璃或聚合物(例如聚碳酸酯塑料)等各種材料的全息擴散器)可以實現特別高的性能,甚至可以根據非常具體的要求進行定制。然而,這種精心設計的擴散器比基于磨砂或磨砂玻璃板的簡單設備貴得多,并且可能無法提供非常大的尺寸??赡苄枰艿墓鈱W計量儀器來準確表征擴散器的光學特性。例如,人們可能需要提供明確定義的光輸入(例如,關于中心波長、光學帶寬、空間特性等)并準確測量出射光的最終角度分布。

    光擴散器的典型應用

    • 照明:出于照明目的,漫射光通常是可取的,因為它有助于均勻(均勻)的照明強度并最大限度地減少耀眼的效果。因此,照明燈通常配備漫散射燈罩。各種類型的前照燈(例如用于汽車)和投影儀的擴散器通常專門設計用于獲得出射光的某些空間特征——例如,為了在不讓其他駕駛員眼花繚亂的情況下正確照亮道路。還需要用于各種其他裝置照明擴散器和均化器,例如用于白熾燈具有磨砂玻璃燈泡,顯微鏡和一些機器激光材料加工。根據設備的類型,產生的光可能會因吸收或將光發送到不可用的方向而遭受大量損失。這種損失使得必須使用相應更強的光源,這增加了電力消耗。然而,一些擴散器可能非常高效。

    • 積分球:一個積分球,例如用于光學計量,在其內表面包含一個高質量的漫射涂層,它以高效率均勻散射入射光,即具有最小的吸收量。這可用于精確測量漫射光輸入的總光功率,這將難以完全指向光電探測器的有效區域。由于球體中的漫散射,人們可以將精確定義的一部分入射光引導到光電探測器,其中該部分幾乎不依賴于光輸入的空間特性。

    • 圖像屏幕和顯示:用于投影顯示器和各種其他設備的屏幕可用于反射或透射幾何形狀。它們通常應該是高度散射(漫射)的光;它們將無法正常工作,例如,如果發生鏡面反射。特別是對于激光投影儀,需要明確的漫射特性才能獲得高圖像質量。暫時地,所用激光源的增加的光學帶寬(降低的時間相干性)使屏幕的散射特性不那么重要,因為激光散斑的趨勢減少了。其他類型的顯示器也需要某種擴散器。例如,基于具有背景照明的液晶調制器(LC平板顯示器)的顯示器,其中需要擴散器以實現足夠均勻的照明。

    • 光衰減器:擴散器也可用作高光功率級的光衰減器,在這種情況下,基于吸收的衰減是不切實際的。

    • 激光均勻化/整形

    • 激光材料加工: 穿孔,燒蝕,脫軌,打標,劃線和焊接

    • 醫療/美容激光治療

    • 準分子激光器的光束整形

    • 熱點減速機

    HOLO/OR擴散器/光束均質器DOE

    以色列Holo/Or于1989年成立,至今已經有26年的歷史。Holoor設計和生產各種衍射光學元件(DOE)和微光學元件,應用于高精度和高功率和激光器,目前世界上只是極少數公司具有該項技術。Holo/Or的主要客戶包括醫療/美學激光,材料加工激光,計量激光和激光系統集成商等。新特光電在大中華地區全面代理Holo/Or的全系列產品,竭誠為各位激光行業的朋友提供服務。

    Holo/Or能夠實現對激光能量分布的各種調制,例如激光分束、激光聚焦、激光采樣、激光整形、平頂激光光斑、軸向多焦點、長焦深、勻光擴散、雙波長等各種對激光能量分布的控制。得益于研發團隊的超強設計能力,Holo/Or的衍射光學元件DOE具有高效率、高精度、高均勻性、小尺寸、重量輕和高損傷閾值的特點,我們還可針對客戶的特定應用快速提供定制化的服務。目前,Holo/Or已經在全球積累了數百家客戶,和全球知名的激光公司有些廣泛而緊密的合作。

    Holo/Or的衍射光學元件(DOE)使用透鏡表面的微納結構,改變激光的相位。通過恰當的設計,可以使入射激光按照任何期望的強度進行排布,從而對激光進行精準操縱。這種技術能夠使許多不符合標準折射光學系統的功能與光操縱變為可行。Holo/Or的衍射光學元件在許多激光應用中都發揮了重要作用,例如激光加工、激光打標、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光熱處理等領域。

    HOLO/OR光束均質器

    HOLO/OR 開發了一種新型光束均質器,具有增強的性能,被稱為高均勻性系列。它的優點是:均勻性更高,零級更低,適用于與較低的M2因子的輸入光束。

    設計注意事項

    • 常見的均化器/擴散器元件在 DOE 窗口上制造。  由于均化器定義了一定的擴散角度,因此客戶可以通過選擇具有正確 EFL 的聚焦透  鏡來控制圖像平面上的圖像尺寸。 光束均質器的典型設置如下:

      均質器的典型設置

    • HOLO/OR 有能力設計集成解決方案:將 DOE 窗口和特定焦距鏡頭組合成一個  單獨的混合元件。 這里,衍射圖案將被蝕刻在聚焦透鏡(平凸透鏡)的平面  側。  該解決方案具有較少的光學表面,緊湊的尺寸和較輕的重量等優點。

    • 通過使用高 M2輸入光束可以實現性能的進一步改善。

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