作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR (~Hwq:= . 文章來(lái)源：Laser Focus World激光聚焦世界http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-09/features/diffractive-optics-how-ultrashort-laser-pulses-influence-beam-shaping-optics.html S=zW
wo$ cT.8 &EEW 光學(xué)仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學(xué)元件的光束整形特性和能力。 D,,$
. 4%6_ `E 隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業(yè)應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，特別是當(dāng)納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學(xué)元件（DOE）的光束整形應(yīng)用變得更具挑戰(zhàn)性。 lHc|: vG?
;\],R.! VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發(fā)的物理光學(xué)仿真工具，可以用于大多數(shù)DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們?cè)贖olo / Or的團(tuán)隊(duì)研究了USP激光器對(duì)DOE功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)盡管對(duì)于大多數(shù)光束整形器來(lái)說(shuō)，DOE的影響可以忽略，但對(duì)于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。 lxh}N, .t9*wz 圖1. 對(duì)于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對(duì)輸入800 nm高斯脈沖得到的結(jié)果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結(jié)果（c）進(jìn)行比較，沒(méi)有明顯差異。
[ApAd DOE基礎(chǔ)知識(shí) hmES@^n!_
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S7B3 = 對(duì)于許多應(yīng)用而言，DOE可以用于產(chǎn)生一些傳統(tǒng)的反射或折射光學(xué)元件無(wú)法達(dá)到的獨(dú)特光學(xué)功能，在系統(tǒng)配置方面更加靈活。與折射解決手段相比，DOE具有很多優(yōu)勢(shì)，包括尺寸小、單個(gè)元件具有多種功能、角度精度高、厚度小和相比于折射解法時(shí)間色散較小等。 Y-
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k:0nj!^4w> 操作原理非常簡(jiǎn)單：對(duì)于準(zhǔn)直入射光束，輸出光束以預(yù)先設(shè)計(jì)的分離角度和強(qiáng)度出射DOE，通過(guò)光束整形器，激光束被聚焦成設(shè)計(jì)好的尺寸和形狀。 DOE的常見(jiàn)應(yīng)用包括醫(yī)療系統(tǒng)、測(cè)量以及科學(xué)/研究應(yīng)用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術(shù)對(duì)于材料加工至關(guān)重要1。 3FQXp
>U#j\2!Sg 雖然DOE用途廣泛，功能強(qiáng)大，但由于功能強(qiáng)烈依賴于光波波長(zhǎng)2 ，其具有很高的色散效應(yīng)。當(dāng)使用USP激光器時(shí)，由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，可能會(huì)產(chǎn)生異常的光譜特性，這一現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。由于工作波長(zhǎng)不同于其標(biāo)稱值，USP的寬光譜范圍會(huì)對(duì)使用DOE的光束整形產(chǎn)生影響，因此當(dāng)使用一定范圍的波段而不是單個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，需要預(yù)測(cè)整形光斑將如何變化。 Pm=i(TBS/
OlcWptM$ 根據(jù)傅里葉理論，時(shí)域中的脈沖持續(xù)時(shí)間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導(dǎo)致USP激光器呈現(xiàn)時(shí)間色散效應(yīng)。對(duì)于中心波長(zhǎng)為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對(duì)應(yīng)于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對(duì)應(yīng)于100 fs脈沖。 FNHJHuTe
nK>D& S_! 光束整形與分束 QG]*v=Z
IuOQ X} DOE產(chǎn)品有兩個(gè)主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個(gè)激光束分成幾個(gè)具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據(jù)元件表面上的衍射圖案，分束器可以產(chǎn)生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設(shè)計(jì)用于特定的波長(zhǎng)和輸出光束之間的分離角。 p8X$ yv
KKGwMJku} 光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強(qiáng)度均勻光斑的DOE。通過(guò)光束整形器實(shí)現(xiàn)的均勻強(qiáng)度分布能夠均勻地處理表面，防止對(duì)工件的過(guò)度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個(gè)鮮明的過(guò)渡區(qū)，使得在處理區(qū)域和未處理區(qū)域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。 ]%<0V,G
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d x)v`.%V 分束器和光束整形器可以與多模（MM）或單模（SM）輸入光束一起使用，并且由于其制造的材料的高損傷閾值，可以用于大功率激光系統(tǒng)，包括如熔融石英，硒化鋅（ZnSe）和藍(lán)寶石。 <,+6:NmT
$E35 W=~) &?0hj@kd~ 圖2. 基于簡(jiǎn)單光線追跡原理（a）的衍射錐透鏡產(chǎn)生圓環(huán); 錐透鏡DOE的輸入脈沖是800 nm高斯脈沖或100 fs USP對(duì)錐透鏡出射的結(jié)果（b和c）影響不大。
LT:*K!>NOL USP對(duì)光束整形的影響 NVG`XL
|n %<p 當(dāng)幾飛秒的極短脈沖USP激光入射到具有周期性光柵結(jié)構(gòu)的分束器DOE上時(shí)，可以觀察到許多不同的現(xiàn)象，包括出現(xiàn)橢圓形而非圓形光斑，光斑尺寸增加或顯著的零級(jí)衍射。對(duì)標(biāo)稱波長(zhǎng)λ1，我們?cè)O(shè)計(jì)并加工了一個(gè)分束器DOE。其相位在空間中復(fù)制，從而形成周期性的光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用不同的波長(zhǎng)λ2時(shí)，衍射角依據(jù)光柵方程發(fā)生變化。 +l@+e_>
dY$jg 對(duì)于小衍射角θ（<12°），衍射角和相應(yīng)波長(zhǎng)之間的關(guān)系定義為： V?C_PMa
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kb Δd = ƒ • (θλ1 - θλ2) = ƒ • θλ1 • (1 - λ1 / λ2) l
EsE]f 其中，Δd 表示λ1和λ2的光斑中心偏差，f表示所用透鏡的焦距，θλi是波長(zhǎng)λi的衍射角。根據(jù)該方程，每個(gè)波長(zhǎng)有不同的衍射角，且其相應(yīng)光斑將略微移動(dòng)到不同的位置。如果中心偏差與焦平面上的光斑尺寸數(shù)量級(jí)相仿，則光斑為橢圓形。 3=Va0}#&
0qk.NPMB0 由于脈沖光譜的每個(gè)波長(zhǎng)將具有略微不同的衍射角，所以對(duì)于更寬的波長(zhǎng)范圍（或更短的脈沖持續(xù)時(shí)間），其橢率更大。 tbq_ Rg7s
F^}n7h= qk 我們還知道元件的零級(jí)衍射（光通過(guò)DOE非衍射的部分）與波長(zhǎng)相關(guān)，這意味著使用非標(biāo)稱波長(zhǎng)時(shí)其值會(huì)按同一比例增加，因此在使用USP時(shí)，可以看到明顯的零級(jí)衍射。 O/{W:hJjd
2@+ MT z 使用VirtualLab仿真，研究了USP對(duì)各種DOE的影響。對(duì)于每種DOE，可以對(duì)包括高斯光源（單一波長(zhǎng)或光譜），DOE，消色差聚焦透鏡和焦平面處用于觀察結(jié)果的虛擬屏幕等進(jìn)行光學(xué)設(shè)置。然后光通過(guò)設(shè)置使用傳統(tǒng)的光線追跡（一種遠(yuǎn)場(chǎng)物理光學(xué)傳播工具）傳播，為了便于示范，選擇不同的入射光束直徑來(lái)突出可能產(chǎn)生的結(jié)果。 F/chE c
V L}.V`v{zc 渦旋透鏡 5c+7c@.
8+U':xR 也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉(zhuǎn)換成一個(gè)donut或者方形能量環(huán)。渦旋透鏡的典型應(yīng)用包括光學(xué)捕獲、量子光學(xué)和高分辨率顯微鏡。 fH[:S9@ tX .{ +yyU 螺旋相位板是一個(gè)獨(dú)特的光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)是由螺旋或螺旋相位步驟組成，目的是控制傳輸光束的相位。其拓?fù)潆姾�，在文獻(xiàn)中表示為m，指的是2π的循環(huán)次數(shù)（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉(zhuǎn)變。 VsR`y]"g pTzfc`~xv 對(duì)于m=1的渦旋透鏡元件，VirtualLab仿真顯示不管輸入是一個(gè)高斯脈沖或100fs超快脈沖（見(jiàn)圖1），其對(duì)DOE的影響很小。對(duì)于圓對(duì)稱元件，強(qiáng)度沿著環(huán)形點(diǎn)分布，使它幾乎不可能探測(cè)到任何光斑大小的變化。換句話說(shuō)，這些變化并不發(fā)生在方位平面上，而徑向平面上發(fā)生的變化與光斑整形無(wú)關(guān)。同時(shí)，既然這不是一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，橢率或零階的影響也無(wú)關(guān)緊要。 }RY&f4&GV, x|IG'R1:Y 衍射錐透鏡 CJ
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ey3;rY1 錐透鏡將一束激光轉(zhuǎn)換成一個(gè)環(huán)形狀（近場(chǎng)的貝塞爾強(qiáng)度輪廓）。它還將點(diǎn)光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，衍射錐透鏡應(yīng)用很廣，如原子陷阱，望遠(yuǎn)鏡和激光鉆孔。 _<P~'IN+n G)wIxm$?0 類似渦旋透鏡，不論衍射錐透鏡的輸入脈沖是高斯或超短（見(jiàn)圖2），輸出幾乎都沒(méi)有變化。VirtualLab仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐指出渦旋透鏡有著類似結(jié)果，并幫助理解了沒(méi)有零階衍射以及光斑大小、形狀沒(méi)有變化的現(xiàn)象。 i4*!t.eI
