LBTEK 多焦点DOE——技术说明

一、概述

LBTEK 多焦点DOE是一种用于焦点整形的衍射光学元件，可实现入射光在轴向上聚焦为固定个数、相等间距、能量均匀的焦点，其利用光的衍射原理来设计相位，并通过光控取向使液晶聚合物薄膜形成设计好的相位结构，从而实现对入射光的相位调制，使光分散在不同的衍射级次，最后利用聚焦透镜使各个级次聚焦从而形成多个焦点。由于多焦点DOE具有高衍射效率、高均匀度、焦点等间距等特点，其主要应用于激光深度切割，如透明玻璃、蓝宝石等的切割，相比于传统激光切割，其可以利用轴向多个均匀排布的焦点对材料进行深度切割，从而达到较为理想的平整切面。

多焦点DOE通常与物镜一起贴近使用，以实现在各种应用情境下的使用需求，典型的多焦点DOE应用光路如下：

图1 LBTEK 多焦点DOE设计光路图

多焦点DOE相位设计需要的参数有：

• 工作波长\( \lambda \)
• 输入光束尺寸\( D \)
• 物镜（焦距\( f \) 、数值孔径\( NA \) 、放大倍率\( \beta \) ）
• 输出焦点个数\( N \) 及点间距\( \delta \)

二、产品结构

LBTEK 多焦点DOE基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物双折射材料，通过光控取向工艺制成，呈现为“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构。液晶分子快轴取向沿半径随设计不同呈现不同的周期性变化，λ/2延迟量。

• LBTEK 多焦点DOE标品为裸片，双层衬底，未安装机械外壳；
• LBTEK 多焦点DOE标品整个元件尺寸为Ø25.4×3.2 mm，通光孔径不同。

三、产品性能

1.偏振相关特性

• 液晶器件对不同偏振光具有不同的相位和偏振响应，随机偏振将导致相位调制不可控。相同条件下，左旋圆偏光和右旋圆偏光分别入射所得的轴向聚焦光场强度分布关于原点对称；线偏光入射所得轴向聚焦光场分布可分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光分别入射所得轴向聚焦光场分布，强度分布为左旋圆偏光和右旋圆偏光分别入射所得轴向聚焦光场强度的一半叠加。

图2 圆偏光和线偏光分别入射所得的轴向聚焦光场分布

图3 圆偏光和线偏光分别入射所得的轴向聚焦光场强度分布

• 对于多焦点DOE标品，由于其设计焦点基于原点对称且设计时基于圆偏光设计，所以不论是线偏光或圆偏光入射都可实现相同位置、相同强度的多个焦点，但一般建议圆偏光入射。
• 对于特殊设计定制的多焦点DOE，一般为圆偏光入射使用，且圆偏振光的旋向需与设计相同，才能达到想要的效果。

2.加工能力边界

• 多焦点DOE的能力主要取决于搭配的物镜参数（焦距f及数值孔径NA，设计时就需确定）以及自身加工像素尺寸大小；
• 最小焦点间距\( \delta_{min} \) 取决于焦深，一般用瑞利长度\( DL \) 来判断，即\( \delta_{min}>2DL \) ，瑞利长度计算公式为：

\( DL=\frac{4\lambda f^2}{\pi D^2} \)

其中，\( \lambda \) 为工作波长，\( f \) 为物镜焦距，\( D \) 为入射光斑直径。

• 最大焦点间距\( \delta_{max} \) 取决于加工像素尺寸大小，其大致估算公式为：

\( \delta_{max}<\frac{\lambda}{cos(arcsin(\frac{R-\Delta}{f}))-cos\alpha} \)

其中，\( \lambda \) 为工作波长，\( R \) 为入射孔径半径，\( f \) 为物镜焦距，\( \Delta \) 为像素尺寸大小，\( \alpha \) 为物镜孔径半角（\( NA=n*sin\alpha \) ）。

3.性能影响因素

• 入射光斑尺寸：与设计入射光斑尺寸相比，入射光斑尺寸偏小，会导致焦深和衍射极限变大，影响各个焦点的均匀性；入射光斑尺寸偏大，对焦点光斑影响较小。

图4 入射光斑尺寸对轴向焦点分布影响

• 入射光斑偏移：入射光斑入射位置偏离中心，会导致一侧焦点能量变化较大，影响整体均匀度。

图5 入射光斑偏移对轴向焦点分布影响

• 物镜焦距（或NA）变化：焦距减小，NA增大，焦点间距增大，且焦点能量变化较大；而焦距增大，NA减小的影响较小。

图6 物镜焦距（或NA）变化对轴向焦点分布影响

四、参数说明

1.中心偏移量

对于理想的多焦点DOE，其液晶分子快轴取向的变化中心应位于基片圆心处，过大的中心偏移量将不利于入射光中心对准，尤其是用于同轴系统中时，影响焦点能量均匀性。我们的加工精度可以保证中心偏移量在100 μm以内，更精确的中心对准调节，可以通过我们的xy位移调整架TXY1来实现。

2.焦点能量均匀度

对于多焦点DOE，焦点能量均匀度指生成的多个焦点的能量分布均匀性，其定义为：

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

其中，\( I_{max} \) 指强度最大的焦点位置峰值能量，\( I_{min} \) 指强度最小的焦点位置峰值能量。

3.物镜参数

多焦点DOE一般与固定物镜贴近搭配使用（若二者之间存在距离需在设计前说明进行修正），具体的物镜参数依据客户使用情景而定，在设计DOE相位前需确定物镜参数。

4.损伤阈值

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

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

LBTEK 多焦点DOE——应用案例

1.蓝宝石切割

由于蓝宝石具有耐磨、耐划，透光性好，硬度高等优势，在航空、医疗、LED、消费电子等领域都有很广泛的应用，其中，以LED衬底和消费电子为主要应用市场。因为蓝宝石本身为硬脆性材料且化学稳定性好，传统的机械加工和化学加工方法都不能很好地将其进行加工成需要的形状。直到激光切割的出现，使得蓝宝石的加工能更高速度、更高质量的进行。传统的激光切割是将激光聚焦后在材料表面进行切割，使材料一层一层剥离掉从而实现切割，这种方法虽然比机械加工好很多，但仍存在一定的热影响区域及崩边区域。而采用多焦点DOE的激光切割，可以利用轴向多个均匀排布的焦点对材料进行深度切割，来达到更为理想的平整切面。

图1 蓝宝石切割方式对比示意图

LBTEK 多焦点DOE——定制能力

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