聚合物VS石英匀化DOE有何区别?
发布时间:2024-09-12 00:00:00 阅读次数:948

衍射光学元件的类型

 

DOE(Diffractive Optical Elements),即衍射光学元件,其具有二维分布的衍射单元。 通过对激光波前相位分布进行精细调控,可实现如分束、匀化、特殊的焦斑轴向分布等功能。 在光学应用中,衍射光学元件有着高效率、集成度高、使用便利、高灵活性等优势。

因此,DOE被广泛应用于激光加工、光通信、成像系统和光学信息处理等领域。 其独特的设计和制造技术使其在轻量化、低成本和高度集成的光学系统中展现出巨大潜力。

图1 DOE功能介绍图

目前,衍射光学元件主要可以分为两种主要类型: 动力学相位器件以及几何相位器件。 下面将分别对这二者的原理进行详细介绍。

 

 动力学相位

当光束经过动力学相位器件,其相位变化由光波的传播路径所决定。 例 如,当光在不同介质中传播时,由路径长度或介质的折射率差异导致的相位差。

以动力学相位为原理的衍射光学元件主要包括石英刻蚀型以及液晶倾角调控型。 石英刻蚀型DOE主要是通过表面浮雕工艺引入设计相位结构,即不同的浮雕高度会导致不同的光程差d,从而得到不同的光束传播相位差。

图2 石英刻蚀型动力学相位器件制作原理简图

而液晶倾角控制型一般利用的是向列相液晶分子呈棒状外形的特点,当入射光的偏振方向与光轴有一定夹角θ时,液晶层的有效折射率neff是一个跟ne和no相关的量(其中ne/no分别为光波振动方向与液晶分子的长轴平行/垂直时的折射率)。 因此,当光通过排列有序的液晶层时,其相位延迟决定于液晶分子的倾角角度。 液晶倾角控制型的动力学相位器件典型案例就是空间光调制器。

图3 空间光调制器面板示意图

 

 几何相位(Pancharatnam−Berry相位)

不同于光程差引入的动力学相位,几何相位与空间渐变的光的偏振态调控有关,只依赖于几何特征。 当光的偏振态绕着Poincaré球(代表所有可能的偏振态)上经历一段闭合路径时,光波会累积一个几何相位,这与路径的形状有关,而与路径的长度无关。 在圆偏振基下,液晶指向矢分布α(x,y)是线偏振基下的任意函数,若延迟量满足半波条件,则可以把入射光到出射光的转换矩阵写为:

考虑左/右旋圆偏振光入射的情况,即

可得出射光为

其中,附加相位±2θ被称为几何相位。 因此,通过控制液晶分子在面内的排列方向即方位角,即可得到由几何相位为原理的衍射光学元件。

图4 庞加莱球与几何相位原理[1,2]

上面我们介绍了几何相位器件与动力学相位器件的原理层面的区别,接下来我们从匀化DOE产品应用的角度来具体看下这两种器件类型的特点对比。

 

聚合物VS石英匀化DOE的特点

匀化DOE是一种基于衍射光学原理设计的光学元件,主要作用为对高斯光进行整形和匀化,通常配合聚焦模块在焦面产生匀化光斑。 其设计时是通过已知的入射光参数、透镜焦距以及预期出射光参数,利用点对点映射方式计算得到设计相位。 因此,该元件对入射光的光斑大小,光束质量有较为严格的要求。 匀化DOE具有高均匀度、高透过率、边界锐利、设计灵活等优点 ,在激光加工、激光医美、表面处理等场景中具有很好的应用前景。

图5 匀化DOE功能示意图

LBTEK 目前提供聚合物匀化DOE以及石英匀化DOE两种类型供客户选择。 其中,聚合物匀化DOE的液晶分子的方位角变化为近连续的,因此 其形成匀化光斑的均匀度以及衍射效率很高 。 然而,由于液晶材料限制,其在紫外波段吸收很强,而液晶膜层偏厚会导致取向不可控,因此一般适用波段范围为400nm-1700nm。
此外,其为通过液晶分子的方位角来控制的几何相位元件,与入射光的偏振态相关。 一般要求入射光偏振态为均匀偏振态,可以为线偏振/圆偏振/完全随机偏振(任意时刻偏振状态随机),但不能是任意位置偏振状态随机的位置相关随机偏振。

而石英匀化DOE是石英刻蚀型的动力学相位器件,其优势在于 其纯UVFS材质体损伤阈值更高,针对fs脉冲激光能有着更高的适用性 。 由于动力学相位器件相位差仅由厚度即光程差决定,因此其最终效果与入射光偏振态无关,即使是任意位置偏振状态随机的位置相关随机偏振也可以使用。 此外,其拓宽了紫外以及红外波段,目前可定制波长范围拓宽至266-2600nm。 但由于其为刻蚀款式,相位梯度无法做到类似液晶这样近连续,因此在均匀性以及衍射效率会相对稍低一点。

图6 聚合物圆形匀化DOE(左)与石英圆形匀化DOE(右)相位图对比(仅作示意,非实际加工相位)

 

聚合物VS石英匀化DOE的对比

 

 

参考文献
[1]Gutiérrez-Vega, Julio C. "Pancharatnam–Berry phase of optical systems." Optics letters 36.7 (2011): 1143-1145.
[2]Kim, Jihwan, et al. "Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts." Optica 2.11 (2015): 958-964.
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