激光系统中的光学扩散器：原理、应用与生产

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https://www.hbleizu.com/sys-nd/417.html

光学扩散器是一种重要的光学元件，广泛应用于激光系统中，能够有效提高光斑精度和加工效率。本文将详细介绍光学扩散器在高功率激光系统中的应用、设计原理和生产方法。

光学扩散器在高功率激光系统中有多种应用场景，其中一些常见应用包括：

皮肤美容激光治疗：包括去除纹身。在这种系统中，激光器通常具有不均匀的强度曲线，可能导致热斑损害皮肤。使用光学扩散器可以将光斑塑造成合适的平滑形状，从而实现最佳治疗效果。
激光焊接、激光熔覆和激光退火：使用大芯径（>100um）多模光纤激光器时，这些应用通常需要千瓦级光束。在光纤激光器准直后，光束直径可能需要大于10mm，以避免对光学系统的损害。通过光学扩散器整形，可以将光束调整为适合工业过程的矩形或线状轮廓。
基于激光的深紫外光刻技术：这种技术通常采用高M2值的准分子激光器，激光器往往具有不均匀或不稳定的轮廓。处理这个问题的常见方法是通过光学扩散器对光束进行整形和均匀化。在这种应用中，衍射式扩散器因其角度精度高而被首选。

衍射光学扩散器的设计需要考虑扩散器产生的理想形状和强度曲线，以及工作波长。设计参数通过迭代傅里叶变换分析（IFTA）算法进行优化，以最小化模拟扩散器相位与所需轮廓的偏差。衍射设计通常包含2-16级二进制级别，这种多层次、高效率的设计可能导致相位中出现光学涡流，增加了生产的挑战性，需要高精度的对准。

微透镜扩散器，也称为折射扩散器，通过定义透镜的间距和下垂来进行分析设计。对于圆形扩散，一些随机化因素（如单元形状或透镜位置）被用来打破透镜的对称性。在更复杂的折射式光学扩散器中，其他类型的相位随机化通常被添加到透镜表面，以提高均匀性并减少由微透镜间距产生的有序伪影。

生产高功率应用的光学扩散器主要有以下几种工业标准方法：

光刻法生产光学扩散器，通过旋转光刻胶（如图所示），用照明图案对光刻胶进行图案化处理

二元光刻与蚀刻：对于衍射型扩散器，首选的方法是使用半导体工艺。在每个步骤中，晶圆被光刻胶涂覆，然后曝光以生成光学扩散器图案，接着使用等离子体蚀刻（RIE/ICP）将图案蚀刻到基片上。如果需要多级结构以提高效率，则要重复这一过程，从而在N次重复中产生2N个高度层。
灰度光刻和蚀刻：对于折射漫射器，可以使用类似于二元光刻方法的工艺，但不是二元书写，而是用灰度光刻工艺在单一书写步骤中创建透镜状结构。然后使用相同的蚀刻工艺将这种结构转移到基片上。
激光烧蚀：这是一种对折射漫射器有用的方法，使用高功率激光（通常波长为10.6um）以可控方式烧蚀基片，形成所需的折射光学扩散器结构。
激光诱导蚀刻：主要用于大规模的折射扩散器，这种方法采用了可变功率激光削弱（像灰度书写，但直接在玻璃材料上）与化学湿法蚀刻的结合。被削弱的区域以更高的速度被蚀刻，从而使微透镜形状的照明轮廓转移到玻璃材料中。