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扩散器——可使任何准直输入光束转换为具有强度均匀的输出光束

时间:2021-08-09 来源:新特光电 访问量:1033

扩散器又名均匀化器/光学漫射器衍射光学元件(DOE):允许将单模或多模输入光束转换成明确定义的输出光束,即具有想要的任意形状以及均匀的强度分布。

扩散器是一种可以漫射光的装置,即本质上意味着强烈扰乱其波前并降低其空间相干性。换句话说,对于入射光的特殊轮廓的不同部分,可以获得光学相位的随机或伪随机变化。例如,如果高度空间相干的激光束击中扩散器,从扩散器发出的光可能不再具有光束的特性,而是在很宽的方向上传播。然而,不同设备之间的扩散程度和详细特性可能会有很大差异。它们中的一些具有基本上具有朗伯特性的光输出,而其他的与该特性大不相同,例如表现出相对窄的钟形散射分布。扩散器可以具有不同的几何形状,以适应不同的应用。例如,有扩散板,通常具有圆形或矩形区域和例如几毫米的小厚度。此外,还有可应用于各种表面(例如金属或塑料)的漫射涂层。注意在光学领域之外还有其他种类的扩散器,这里不做处理;例如,一些扩散器用于控制气流。

均质器/扩散器DOE

光束均质器/扩散器DOE主要有利于当需要尖锐形状的边缘时促进均匀曝光,同时保持小角度的发散和较高的传输效率。 最常见的形状是:圆形,方形,矩形,椭圆形和六边形,但是,任何形状的图  样我们都可以设计制作。同样的,也可以是图样的自定义强度分布,使得不同区域呈现更高/更低的能量。

光束均质器/扩散器特点

  • 统一/自定义的强度分布特性

  • 任何输出形状或对称性

  • 单/多模输入光束都适用

  • 低中心要求

  • 高能量阈值

  • 波长范围:紫外到红外

  • AR/AR 涂层

扩散器的工作原理

在大多数情况下,但并非所有情况下,扩散器的工作原理是基于具有高度随机结构的静止材料上或内的光散射或折射。一些例子:可以在反射几何中的白色陶瓷或喷砂(因此具有微结构)光学表面上使用漫散射。一些设备在镜面顶部具有散射介质,例如受保护的金属涂层镜。在简单的情况下,即使是一张白纸也足够了。或者,可以通过一块磨光玻璃、喷砂玻璃或化学蚀刻玻璃(也称为磨砂玻璃或乳玻璃)或包含许多散射中心的光聚合物传输光。在某些情况下,人们使用具有结构化表面的玻璃或塑料光学器件,这样就可以像在小棱镜上一样获得折射。还有透射式或反射式微光学扩散器,包含伪随机结构,其中入射光束的每个部分都经历光学相位的准随机变化。此类设备通常用作全息扩散器,其中每束光束获得(准)随机相变,但不会经历多次随机散射过程。可以通过使用合适的全息图案设计来控制散射光分布。例如,可以实现给定的透射光角度分布,同时在很大程度上避免任何背反射。人们可以在含有适当密度的散射中心的液体或气体中利用随机光散射。

随机光学扩散器通常包含大致圆形的散射中心,或者有时具有非常随机的形状。例如,磨砂玻璃可能含有微小气泡,空气和玻璃之间强烈的折射率对比会导致大量散射。

透射式和反射式扩散器

一种区分反射扩散器(=后向散射扩散器)和透射扩散器(=前向散射扩散器)。前者通常是表面扩散器,散射发生在不透明材料的表面,而透射扩散器可能是体扩散器,其中散射发生在透明介质的体积内,或者也利用表面散射。一些扩散器是半透明的,即一部分光被透射,而另一部分被漫反射。许多设备都使用可见光工作,但它们通常也可以使用红外光,例如来自激光二极管的光。还有适用于紫外线的扩散器。固定的光学设备有时不足以满足应用需求;然后可能需要旋转扩散板,其中输入光束轮廓的每个点不再获得时间恒定的相位变化。在某些情况下,扩散器与滤光器同时工作,例如表现出与波长相关的吸收程度。例如,有彩色玻璃扩散器。

扩散器性能

扩散器的理想性能究竟意味着什么在很大程度上取决于应用,性能的两个核心方面通常如下:

出射光的空间特性(基本上是其角分布)通常很重要。例如,人们可能需要散射强度在某个角度范围内的平滑分布。有时,目标是近似完美朗伯光源的特性,而在其他情况下,只需要在较小的角度范围内进行散射。通常,输出特性几乎不依赖于入射光的空间特性。但是请注意,在某些操作条件下(例如,使用紧密聚焦的 激光),扩散器之后可能仍然存在大量空间相干性。此外,只有具有足够大的光学带宽的照明才能获得平滑的输出强度分布; 每个特定频率分量可能有特征空间结构,但该结构可能会在某个光学带宽上平均。

通常希望具有高效率,即获得散射到所需输出角范围内的大部分入射光功率。根据应用,该要求适用于特定范围的光波长。最少量的吸收通常不仅是为了获得尽可能明亮的光输出,而且是为了在高光功率水平下最大限度地减少热效应。

对于某些应用,需要非常特殊的光学特性。一些例子:

  • 散射可能需要限制在板的某些区域。

  • 产生的角度分布可能必须特别独立于光学波长。

  • 散射可能只发生在一个方向,但不会发生在垂直于它的方向。

可能还需要特殊的几何形状或安装选项,或与其他光学元件(如非球面 透镜)的组合。使用高质量工程扩散器(例如基于玻璃或聚合物(例如聚碳酸酯塑料)等各种材料的全息扩散器)可以实现特别高的性能,甚至可以根据非常具体的要求进行定制。然而,这种精心设计的扩散器比基于磨砂或磨砂玻璃板的简单设备贵得多,并且可能无法提供非常大的尺寸。可能需要精密的光学计量仪器来准确表征扩散器的光学特性。例如,人们可能需要提供明确定义的光输入(例如,关于中心波长、光学带宽、空间特性等)并准确测量出射光的最终角度分布。

光扩散器的典型应用

  • 照明:出于照明目的,漫射光通常是可取的,因为它有助于均匀(均匀)的照明强度并最大限度地减少耀眼的效果。因此,照明灯通常配备漫散射灯罩。各种类型的前照灯(例如用于汽车)和投影仪的扩散器通常专门设计用于获得出射光的某些空间特征——例如,为了在不让其他驾驶员眼花缭乱的情况下正确照亮道路。还需要用于各种其他装置照明扩散器和均化器,例如用于白炽灯具有磨砂玻璃灯泡,显微镜和一些机器激光材料加工。根据设备的类型,产生的光可能会因吸收或将光发送到不可用的方向而遭受大量损失。这种损失使得必须使用相应更强的光源,这增加了电力消耗。然而,一些扩散器可能非常高效。

  • 积分球:一个积分球,例如用于光学计量,在其内表面包含一个高质量的漫射涂层,它以高效率均匀散射入射光,即具有最小的吸收量。这可用于精确测量漫射光输入的总光功率,这将难以完全指向光电探测器的有效区域。由于球体中的漫散射,人们可以将精确定义的一部分入射光引导到光电探测器,其中该部分几乎不依赖于光输入的空间特性。

  • 图像屏幕和显示:用于投影显示器和各种其他设备的屏幕可用于反射或透射几何形状。它们通常应该是高度散射(漫射)的光;它们将无法正常工作,例如,如果发生镜面反射。特别是对于激光投影仪,需要明确的漫射特性才能获得高图像质量。暂时地,所用激光源的增加的光学带宽(降低的时间相干性)使屏幕的散射特性不那么重要,因为激光散斑的趋势减少了。其他类型的显示器也需要某种扩散器。例如,基于具有背景照明的液晶调制器(LC平板显示器)的显示器,其中需要扩散器以实现足够均匀的照明。

  • 光衰减器:扩散器也可用作高光功率级的光衰减器,在这种情况下,基于吸收的衰减是不切实际的。

  • 激光均匀化/整形

  • 激光材料加工: 穿孔,烧蚀,脱轨,打标,划线和焊接

  • 医疗/美容激光治疗

  • 准分子激光器的光束整形

  • 热点减速机

HOLO/OR扩散器/光束均质器DOE

以色列Holo/Or于1989年成立,至今已经有26年的历史。Holoor设计和生产各种衍射光学元件(DOE)和微光学元件,应用于高精度和高功率和激光器,目前世界上只是极少数公司具有该项技术。Holo/Or的主要客户包括医疗/美学激光,材料加工激光,计量激光和激光系统集成商等。新特光电在大中华地区全面代理Holo/Or的全系列产品,竭诚为各位激光行业的朋友提供服务。

Holo/Or能够实现对激光能量分布的各种调制,例如激光分束、激光聚焦、激光采样、激光整形、平顶激光光斑、轴向多焦点长焦深、匀光扩散、双波长等各种对激光能量分布的控制。得益于研发团队的超强设计能力,Holo/Or的衍射光学元件DOE具有高效率、高精度、高均匀性、小尺寸、重量轻和高损伤阈值的特点,我们还可针对客户的特定应用快速提供定制化的服务。目前,Holo/Or已经在全球积累了数百家客户,和全球知名的激光公司有些广泛而紧密的合作。

Holo/Or的衍射光学元件(DOE)使用透镜表面的微纳结构,改变激光的相位。通过恰当的设计,可以使入射激光按照任何期望的强度进行排布,从而对激光进行精准操纵。这种技术能够使许多不符合标准折射光学系统的功能与光操纵变为可行。Holo/Or的衍射光学元件在许多激光应用中都发挥了重要作用,例如激光加工、激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光热处理等领域。

HOLO/OR光束均质器

HOLO/OR 开发了一种新型光束均质器,具有增强的性能,被称为高均匀性系列。它的优点是:均匀性更高,零级更低,适用于与较低的M2因子的输入光束。

设计注意事项

  • 常见的均化器/扩散器元件在 DOE 窗口上制造。  由于均化器定义了一定的扩散角度,因此客户可以通过选择具有正确 EFL 的聚焦透  镜来控制图像平面上的图像尺寸。 光束均质器的典型设置如下:

    均质器的典型设置

  • HOLO/OR 有能力设计集成解决方案:将 DOE 窗口和特定焦距镜头组合成一个  单独的混合元件。 这里,衍射图案将被蚀刻在聚焦透镜(平凸透镜)的平面  侧。  该解决方案具有较少的光学表面,紧凑的尺寸和较轻的重量等优点。

  • 通过使用高 M2输入光束可以实现性能的进一步改善。

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