LBTEK 达曼光栅——技术说明

一、概述

 LBTEK 达曼光栅是一种实现均匀分束的衍射光学元件，其表面由一系列位置编码的二元位相（0-π）结构所组成，通过控制一个周期内二元位相变换点的位置，能够轻易实现激光远场多级衍射光斑的光强相等，具有平板结构、高衍射效率、高分束比等独特优点， 可应用于飞秒激光技术、激光探测、激光直写、三维测量、粒子操控、光纤通信等许多应用领域。

达曼光栅采用典型的三明治结构，在LCP层中，液晶分子快轴取向沿x轴呈现 0-90 ° 二值周期性变化，在整个器件平面上具有λ/2延迟量，为单波长器件。与传统光栅及级联光栅分束器相比，达曼光栅单片就可以实现奇数分束和较多点数分束，且能保证各分束光斑间距与强度相等，这使其在许多领域都有重要应用价值。

二、产品结构

LBTEK 达曼光栅是基于液晶聚合物双折射材料和N-BK7玻璃基底制成，呈现为“前后玻璃衬底+LCP功能层”的三明治结构，未安装机械外壳，一侧带有切边，用于标识达曼光栅的分束方向。

图1 LBTEK达曼光栅产品结构图

• 达曼光栅元件尺寸为Ø25.4×3.2 mm，一侧带有切边，切边宽度为1.5 mm；
• 对于一维达曼光栅，切边方向与栅线方向平行，与光斑分束方向垂直。

三、光学特性

图2 1×7达曼光栅实测分束光斑图

• LBTEK达曼光栅通过调制一个周期内“0-π”相位转折点的位置，实现一束激光等间距、等光强的多点数分束。
• 分束点数与转折点数存在一定的比例关系，转折点数越多，分束比越高。
• 入射光斑大小一般为光栅周期的3倍以上时会得到较好的分束效果，且分束后光斑大小与入射光斑大小一致。
• 入射光偏振态需为线偏振光时，才能达到较好的均匀度；若为圆偏光入射，转动1/4波片改变偏振态，各级衍射光斑的能量出现不均匀，一级增强相对另一级随之减弱，但不能完全消光。

四、参数说明

1.分束角

LBTEK达曼光栅分束角 θ 定义为出射分束光斑的最大衍射全角，分离角 δ 定义为相邻两分束光斑的夹角，依据光栅衍射公式计算：\( d\sin\delta=m\lambda \) 。其中d为达曼光栅周期，m为衍射光斑级次，λ为工作波长。对于LBTEK标准一维达曼光栅，分束角指的是最边缘衍射级次光斑对应的衍射全角，即下图中所示 θ 角度，其与分离角 δ 近似满足关系：\( \theta≈6\delta \) 。

图3 一维1×7达曼光栅分束示意

注：图中元件中心的结构图为偏光显微镜下实拍图，实际的液晶分子快轴角度分布为0-90 °，会呈现出明显的亮-暗分布；而在偏光显微镜下观察时，由于元件镀膜延迟量为λ/2，经过元件的线偏光角度会相对快轴偏转2倍的角度，所以我们实际观测到的是0-180 °，亮暗颜色比较接近。

2.分束均匀度

LBTEK达曼光栅的分束均匀度\( uni \) 定义为：

\( uni=1-\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{max}+I_{min}}\times100\% \)  

其中，\( I_{max} \) 为分束光斑的最大功率值，\( I_{min} \) 为分束光斑的最小功率值。

3.衍射效率

LBTEK达曼光栅的衍射效率\( \eta \) 定义为：

\( \eta=\frac{\sum_{i=1}^nI_i}{I_{total}}\times100\% \)  

其中，\( \begin{matrix}\sum_{i=1}^nI_i\end{matrix} \) 为n个分束光斑的光功率总和，\( I_{total} \) 为透过达曼光栅的总功率。

4.损伤阈值

基于LCP材料的短波强吸收特性，达曼光栅的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。LBTEK 达曼光栅的损伤阈值参考值为：

• 2 J/cm^2@532 nm，10ns，10Hz；
• 10 J/cm^2@1064 nm，10ns，10Hz。

LBTEK 达曼光栅——应用案例

1.三维测量

基于条纹投影的三维光学测量技术近年来得到了深入的研究，即通过向被测物体投射条纹来获取该物体的三维形貌，从而构建出物体的三维结构。采用达曼光栅的三维测量技术具有低成本、体积小、易集成等优点，将会在三维测量领域具有很大竞争力。如图所示，利用达曼光栅形成点阵，再用柱面镜对每一个衍射光斑展开得到条纹，这样每个点的发散角不会太大，从而对柱面镜的要求不会太高，同时也保证了投射条纹光强分布的均匀性。

图1 达曼光栅三维测量应用光路示意图

2.并行激光直写系统

由于达曼光栅每一个衍射光斑的能量、大小及间距一致，且一小片就可以实现大规模的点阵列，因此其可以用于并行激光直写系统，大大提高刻写效率和精度。采用达曼光栅的并行激光直写系统光路如图所示，光源经准直扩束入射到达曼光栅，根据所写结构选用不同分束的达曼光栅，分束后的光点阵列经4f系统进入显微物镜，最终聚焦于直写样品表面。

图2 达曼光栅并行激光直写系统光路示意图

LBTEK 达曼光栅——定制能力

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