單模雷射光束整形元件

搭配F-Theta掃描鏡之雷射整形繞射片

使用過F-theta掃描鏡的都知道,掃描到邊緣時,光點的形狀會略有改變,因此在精密加工時,往往只能取用中心區域來加工,或是變更為平行出射的遠心掃描鏡(Telecentric Scan Lens),如此掃描範圍將受到侷限。

以下是模擬入射光直徑3mm的532nm雷射,搭配EFL=100mm,掃描角度15度的F-theta掃描鏡時,在中心、掃描角度7.5度與15度時光點的比較:


明顯看出當掃描角度越大時,焦點尺寸偏差越大,一旦超出容忍值,就不能使用該角度去做加工,這個原因很簡單,因為當掃描角度越大時,光束與加工平面的夾角越大,因此光點的幾何形狀自然跟著改變。



如果在F-theta掃描鏡前面置入一片小擴散度的光束整形繞射片(Small TH),則可以明顯的改善這個狀況,以下是置入方形、圓形與線形的雷射光束整形繞射片後之模擬結果:

1. 置入方形平頂光整形繞射片之模擬結果:


2. 置入圓形平頂光整行繞射片之模擬結果:


3. 置入線形平頂光整形繞射片之模擬結果:

由模擬結果可以看得出來,聚焦光點尺寸大了約1.54倍,而掃描到邊緣時與中心焦點的偏差明顯減少,而圓形平頂光的整體敏感度相較於方形與線形更小,適用於全場之掃描應用;方形平頂光的XY軸對稱性佳,適用於方形或矩形之掃描應用;線形平頂光則適用於1D的掃描應用。

由此可知安裝了平頂光束整形繞射元件之雷射掃描系統,將會有以下的優點:
1. 產生頂部均勻邊緣陡峭的焦點,提高加工品質
2. 降低掃描範圍內焦點尺寸的偏差,以使可應用之掃描範圍增大,提高加工效率


除此之外,這種平頂光束整形繞射元件,可選擇Fused Silica或ZnSe為基材,鍍上抗反射膜能勝任UV-IR波長之高功率、高能量雷射的應用,而只有單一片鏡片,占用空間小,便於安裝,且安裝後仍保持原本F-theta掃描鏡的工作距離,不需大改機台。

使用此平頂光整形繞射片建議搭配光束品質M2<1.3的雷射,而掃描振鏡與F-Theta掃描鏡之可視孔徑(Clear Aperture)需大於入射光束直徑的2.2倍以上,以達到最佳效果。

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