LBTEK 聚合物分束DOE——技术说明

一、概述

LBTEK 聚合物分束（Liquid Crystal Beam Splitter，LCBS）DOE采用N-BK7基底或UVFS基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成，呈现为典型的三明治平片结构，为单波长器件。

聚合物分束DOE的相位结构根据预期的分束模式、分束光斑间隔或光束分离角度等需求，基于衍射光学原理进行设计，通过对相应衍射级次的能量进行分配来实现预期分束效果。

与级联光栅分束器相比，聚合物分束DOE对入射光偏振态无要求，且可实现奇数分束；与达曼光栅分束器相比，聚合物分束DOE衍射效率及分束光斑均匀性更优；与传统刻蚀DOE相比，聚合物分束DOE更易实现多阶数相位变化，从而达到更高的衍射效率，工艺难度也明显降低。因此，基于聚合物分束DOE高衍射效率、高分束均匀性、高分离角精度、低无效衍射级次噪声影响、工艺简单等优点，其可用于并行激光加工、光传感探测、光医疗美容等众多应用方向中。

二、产品原理

聚合物分束DOE相位设计的基本原理为光栅衍射理论。单个周期内的相位结构决定了不同衍射级次的能量分布；单个周期的尺寸大小决定了光束分离角度。

对于奇数分束，0级光束作为其中1束分束光输出，分离角定义为0级衍射光束与1级衍射光束的夹角；而对于偶数分束，0级光束不参与最终输出，其能量分布接近0，分离角定义为±1级衍射光束的夹角。

图1 奇数/偶数分束的分离角示意

三、产品性能

1. 最大分离角

LBTEK 聚合物分束DOE的最大分离角是由于制作工艺极限所致的元件性能极限之一。最大分离角由最大衍射角决定，而衍射角与分束DOE的周期性相位排布相关，其满足光栅衍射公式：

其中m为衍射级次，λ为工作波长，p为单个周期大小，θ为m级次光束的衍射角（m级次衍射光束与光轴之间的夹角）。目前，我们所能加工的最小周期精度为5μm，则对于工作波长635 nm的聚合物分束DOE，其±1级衍射光束的最大衍射角在7.3 °左右。

2. 工作距离

对于聚合物分束DOE标品，准直光入射后，会以预期的分离角度分束出射。当传输距离较近时，由于入射光束的尺寸限制，分束光束会彼此叠加，无法清楚区分各分束光斑；当传输到一定距离后，分束光束才会彼此分离。因此，其工作距离主要与入射光束尺寸及分离角度有关。

若想实现特定距离处的聚焦型光斑分束，可在设计时搭配相应工作距离的聚焦透镜，工作距离处的光斑间隔D、透镜焦距EFL及分离角θ满足如下关系：

工作距离处的聚焦光斑大小接近衍射极限尺寸DL：

3. 入射光斑尺寸限制

最大入射光斑尺寸受限于通光孔径，建议为通光孔径尺寸的一半。LBTEK 聚合物分束DOE标品的有效通光孔径约为90 %基片尺寸，因此建议最大入射光斑尺寸＜Ø10 mm。

最小入射光斑尺寸与聚合物分束DOE的设计参数有关，一般要求最小入射光斑尺寸为DOE单周期尺寸的3倍。依据光栅衍射公式，由工作波长与分离角决定。

四、参数说明

1. 分离角

对于聚合物分束DOE，分离角指一维方向上相邻两分束光束的夹角，具体定义见“技术说明页面-产品原理”部分。其精度与分束点数及分束角度有关，分束点数越多、分束角度越大，则误差越大。

2. 衍射效率

聚合物分束DOE的衍射效率定义为分束光斑的强度总和与出射光总强度的比值：

3. 分束均匀性

聚合物分束DOE的分束均匀性uni定义为：

其中，I_max为各分束光斑中的最大光强，I_min为各分束光斑中的最小光强。

4. 损伤阈值

LBTEK 聚合物分束DOE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 聚合物分束DOE——应用案例

1. 光医疗美容

分束DOE可用于医疗美容行业中的点阵激光技术，该技术可以治疗烧伤疤痕、外伤疤痕，实现祛斑美肤、面部年轻化，其原理是通过点阵激光产生多个微小光束，作用于皮肤后形成多个微小热损伤区，皮肤因损伤启动自我修复机制，刺激角质细胞胶原再生，从而达到祛疤、祛斑、美肤等效果。使用聚合物分束DOE来形成点阵激光，可精确调控治疗面积、点阵密度和点间距；较小的元件尺寸也使其更易集成于小型设备，方便使用。

图1 点阵激光治疗原理示意

2. 激光加工

聚合物分束DOE也可用于工业方向的激光加工领域，尤其是并行激光加工场景。利用分束DOE将激光分为多束均匀激光，对材料进行加工，可显著提高加工效率和加工一致性。

图2 阵列式不锈钢微孔加工

LBTEK 聚合物分束DOE——定制能力

LBTEK 聚合物分束DOE除现有标准产品外，另提供各项参数规格的灵活定制：

若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK 技术支持详询！