玻璃、藍寶石等激光切割過程中多焦點DOE的應(yīng)用及原理

激光切割玻璃、藍寶石可以大大改善切割質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)的玻璃切割方式是機械切割方式，例如用金剛石劃線和斷裂，其缺點是劃線質(zhì)量較低和精度較低，一般會產(chǎn)生微裂紋、碎裂。機械切割之后，還需要許多額外的耗時進行后處理步驟，例如研磨、掩蔽和蝕刻，以消除機械加工過程中引起的損壞，達到最終實現(xiàn)部件外部尺寸的所需公差。

通過將激光深度切割用于玻璃切割工藝，可以避免以上提到的缺點。然而如何實現(xiàn)深度切割，是一個難點，因為激光焦點的深度有限，一般只有幾十μm，而被切割玻璃的厚度往往從0.1到10mm。

為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，一般需要引入DOE或其它光學(xué)元件來拉長焦點，目前主流的技術(shù)有：多焦點DOE、長焦深DOE和激光成絲技術(shù)，他們的目的都是增長有效焦深，使焦深和玻璃厚度匹配，滿足玻璃切割的需求。??????

上面提到的DOE又可稱為玻璃切割DOE或藍寶石切割DOE，他們需要和聚焦鏡或物鏡組成一個小系統(tǒng)來實現(xiàn)特定的切割深度。

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玻璃，藍寶石切割等激光加工行業(yè)新趨勢——多焦點DOE技術(shù)

傳統(tǒng)的激光切割方法的缺點有切割深度不夠、容易裂紋、切口粗糙、不夠精細(xì)等問題，而多焦點DOE切割可以很好地克服這些問題。它通過衍射光學(xué)原理對激光能量進行精密調(diào)控，以均勻排布的多個焦點對材料進行深度切割，它的切割精密且鋒利，對厚度不同的材料能夠切割出完美的切面。

切面或切割截面的平整度達到μm量級甚至更高，得到邊緣光滑、無掛渣、無毛刺和切割面幾乎無錐度的效果，把加工質(zhì)量提升一個等級，滿足越來越精益的產(chǎn)品需求。激光加工系統(tǒng)中利用多焦點DOE或長焦深DOE切割玻璃、藍寶石和有機玻璃等材料越來越受到行業(yè)的青睞。

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多焦點DOE，英文名為:Multifocal lens for lasers，衍射光學(xué)元件主要是利用光的波動性去設(shè)計光學(xué)元件，通過衍射光學(xué)元件表面的微結(jié)構(gòu)去改變光在通過衍射光學(xué)元件時光波的傳輸相位從而進一步對入射光進行位相調(diào)制,使光分散在不同的衍射級次上,利用這個特點,通過對衍射級次的設(shè)定,物距的設(shè)定，從而產(chǎn)生我們所需要的多焦點。

衍射光學(xué)元件在對入射光的位相進行調(diào)制的過程中,成像光學(xué)系統(tǒng)中使用的對稱式衍射光學(xué)元件的位相可表達為

φ(y)=A1y2+A2y4+……

公式中,y為衍射光學(xué)元件的徑向坐標(biāo);A1、A2…為各項系數(shù)。

多焦點DOE是就是利用照射到鏡片不同局域的入射激光分別聚焦，在軸向傳播方向上同時得到多個焦點

多焦點的位置是折射焦距、衍射焦距和預(yù)定衍射焦距的函數(shù)在“零”順序的焦點是指所使用的透鏡的折射焦距。其他的衍射焦點，級為+/-1、2、3...，對稱的出現(xiàn)在折射的“零”級周圍。焦點點之間的距離用下面的公式來描述:

焦點之間距離的近似表達式為:

(1/f“m”Diffractive)=(1/fRefractive)+(1*m/fDiffractive)(m=±1, +2, +.....)

?f“m”:衍射級數(shù)為“m”的焦距

光圈:折射透鏡的焦距(FL)

衍射:衍射透鏡的焦距(FL)

多焦點光束在軸上形成的能量分布圖如下圖:

光束在經(jīng)過多焦點DOE后會形成間距近乎相等的焦點一般焦點個數(shù)為2-15個不等，間距一般為幾十到幾百μm，各個焦點的能量也基本一致。

對于具有偶數(shù)聚焦點的多焦點DOE，通過特殊的設(shè)計和處理實現(xiàn)零階光斑的去除。對于二進制設(shè)計(2級圖案結(jié)構(gòu))，功率效率在75%(雙焦和多焦)到85%(三焦)之間變化。每個焦點包含輸入光束功率的一小部分。例如，對于一個三焦DOE(~85%效率)，第一個焦斑將有~28%的輸入波束功率在精確衍射FL，“+1”順序。在傳播軸上，一個焦點將出現(xiàn)在透鏡的標(biāo)稱光圈處。在這里焦點將有大約28%的輸入光束功率。最后一個焦點出現(xiàn)在“-1”階(衍射階)，具有相同的能量。在每一階中，剩余的能量(~56%)將以光暈的形式分布在焦點周圍。多焦點也可以用作準(zhǔn)延長焦點元素，有效地在材料加工操作中創(chuàng)建更大的焦點深度。

多焦點鏡片本身是平面型的DOE，外加的聚焦鏡作用是增大焦深(切割深度)，使多焦點DOE在傳播距離上具有更好的靈活性。

多焦點DOE的特點:

多焦點DOE的作用是使激光光束(單模或多模)入射到多焦點DOE元件和聚焦鏡后，照射在被切割的透明物體時，能夠在傳播方向直接線上同時得到多個焦點。焦點之間的間距近乎相等，焦點數(shù)量2~15，切割深度0.1~10mm。

對于激光焦點數(shù)量、焦點間距、焦深長度等是需要進行特殊定制的。

多焦點DOE的普適性高，可配合單模激光或多模激光進行多焦點的制造。

-而且損傷閾值高，適用于各類光纖激光器、大功率皮秒激光器、飛秒激光器。

?波長也可覆蓋到193nm to 10.6um波段。

?高效率，衍射效率最高可達>95%

多焦點DOE的應(yīng)用:

在玻璃激光切割和激光微加工等應(yīng)用中，多焦DOE可以用作準(zhǔn)伸長聚焦元件，有效地提高聚焦深度。多焦點DOE主要應(yīng)用于激光深度切割，例如激光玻璃切割、藍寶石切割、透明薄膜切割等透明材料。

目前玻璃、藍寶石的傳統(tǒng)激光切割方法的缺點有：切割深度不夠、容易裂紋、切口粗糙、不夠精細(xì)等問題，而多焦點DOE切割可以很好地克服這些問題。它通過衍射光學(xué)原理對激光能量進行精密調(diào)控，以均勻排布的多個焦點對材料進行深度切割，它的切割精密且鋒利，對厚度不同的材料能夠切割出理想的切面。切面或切割截面的平整度達到微米量級甚至更高，得到邊緣光滑、無掛渣、無毛刺和切割面幾乎無錐度的效果，把加工質(zhì)量提升一個等級，滿足越來越精益的產(chǎn)品需求。激光加工系統(tǒng)中利用多焦點DOE或長焦深DOE切割玻璃、藍寶石和有機玻璃等材料越來越受到行業(yè)的青睞。

對于多焦DOE通常有兩種配置:

1:由具有預(yù)定焦距的平凸透鏡和蝕刻在其平面上的衍射圖案組成的DOE。

2:在多焦點DOE上添加一個常規(guī)的聚焦鏡頭，這樣可以更加靈活的改變聚焦的距離，從而適應(yīng)更加多變的工作環(huán)境。

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