作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR "$Rl9(} 文章來源：Laser Focus World激光聚焦世界http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-09/features/diffractive-optics-how-ultrashort-laser-pulses-influence-beam-shaping-optics.html l"ih+%S r}vI #;& 光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。 L {5zA5#m
^M?uv{354 隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業(yè)應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰(zhàn)性。 |dXS+R1
jkPXkysm VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發(fā)的物理光學仿真工具，可以用于大多數(shù)DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)盡管對于大多數(shù)光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。 q+LjWZ+O Em
_miU 圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
] >`Q"g~0 DOE基礎知識 5(U.<
!})+WSs'"s 對于許多應用而言，DOE可以用于產生一些傳統(tǒng)的反射或折射光學元件無法達到的獨特光學功能，在系統(tǒng)配置方面更加靈活。與折射解決手段相比，DOE具有很多優(yōu)勢，包括尺寸小、單個元件具有多種功能、角度精度高、厚度小和相比于折射解法時間色散較小等。 t/q\Ne\\,
!^\|r<2M 操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測量以及科學/研究應用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術對于材料加工至關重要1。 )EcF[aO
8qBw;A) 雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應。當使用USP激光器時，由于脈沖持續(xù)時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預測整形光斑將如何變化。 D y8Go4
w@ oq.K 根據傅里葉理論，時域中的脈沖持續(xù)時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導致USP激光器呈現(xiàn)時間色散效應。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應于100 fs脈沖。 y 8, es$
tpC EWdn5 光束整形與分束 hr)TC-
e=_*\`/CN DOE產品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據元件表面上的衍射圖案，分束器可以產生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。 } *0%wP
+ ^~n09 光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現(xiàn)的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。 W
