玻璃、蓝宝石等激光切割过程中多焦点DOE的应用及原理

激光切割玻璃、蓝宝石可以大大改善切割质量和效率。传统的玻璃切割方式是机械切割方式，例如用金刚石划线和断裂，其缺点是划线质量较低和精度较低，一般会产生微裂纹、碎裂。机械切割之后，还需要许多额外的耗时进行后处理步骤，例如研磨、掩蔽和蚀刻，以消除机械加工过程中引起的损坏，达到最终实现部件外部尺寸的所需公差。

 

通过将激光深度切割用于玻璃切割工艺，可以避免以上提到的缺点。然而如何实现深度切割，是一个难点，因为激光焦点的深度有限，一般只有几十μm，而被切割玻璃的厚度往往从0.1到10mm。

为了实现这个目标，一般需要引入DOE或其它光学元件来拉长焦点，目前主流的技术有：多焦点DOE、长焦深DOE和激光成丝技术，他们的目的都是增长有效焦深，使焦深和玻璃厚度匹配，满足玻璃切割的需求。

上面提到的DOE又可称为玻璃切割DOE或蓝宝石切割DOE，他们需要和聚焦镜或物镜组成一个小系统来实现特定的切割深度。

玻璃，蓝宝石切割等激光加工行业新趋势——多焦点DOE技术

传统的激光切割方法的缺点有切割深度不够、容易裂纹、切口粗糙、不够精细等问题，而多焦点DOE切割可以很好地克服这些问题。它通过衍射光学原理对激光能量进行精密调控，以均匀排布的多个焦点对材料进行深度切割，它的切割精密且锋利，对厚度不同的材料能够切割出完美的切面。

切面或切割截面的平整度达到μm量级甚至更高，得到边缘光滑、无挂渣、无毛刺和切割面几乎无锥度的效果，把加工质量提升一个等级，满足越来越精益的产品需求。激光加工系统中利用多焦点DOE或长焦深DOE切割玻璃、蓝宝石和有机玻璃等材料越来越受到行业的青睐。

 

多焦点DOE，英文名为:Multifocal lens for lasers，衍射光学元件主要是利用光的波动性去设计光学元件，通过衍射光学元件表面的微结构去改变光在通过衍射光学元件时光波的传输相位从而进一步对入射光进行位相调制,使光分散在不同的衍射级次上,利用这个特点,通过对衍射级次的设定,物距的设定，从而产生我们所需要的多焦点。

衍射光学元件在对入射光的位相进行调制的过程中,成像光学系统中使用的对称式衍射光学元件的位相可表达为

φ(y)=A1y2+A2y4+……

公式中,y为衍射光学元件的径向坐标;A1、A2…为各项系数。

多焦点DOE是就是利用照射到镜片不同局域的入射激光分别聚焦，在轴向传播方向上同时得到多个焦点

多焦点的位置是折射焦距、衍射焦距和预定衍射焦距的函数在“零”顺序的焦点是指所使用的透镜的折射焦距。其他的衍射焦点，级为+/-1、2、3…，对称的出现在折射的“零”级周围。焦点点之间的距离用下面的公式来描述:

焦点之间距离的近似表达式为:

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

f“m”:衍射级数为“m”的焦距

光圈:折射透镜的焦距(FL)

衍射:衍射透镜的焦距(FL)

多焦点光束在轴上形成的能量分布图如下图:

 

光束在经过多焦点DOE后会形成间距近乎相等的焦点一般焦点个数为2-15个不等，间距一般为几十到几百μm，各个焦点的能量也基本一致。

对于具有偶数聚焦点的多焦点DOE，通过特殊的设计和处理实现零阶光斑的去除。对于二进制设计(2级图案结构)，功率效率在75%(双焦和多焦)到85%(三焦)之间变化。每个焦点包含输入光束功率的一小部分。例如，对于一个三焦DOE(~85%效率)，第一个焦斑将有~28%的输入波束功率在精确衍射FL，“+1”顺序。在传播轴上，一个焦点将出现在透镜的标称光圈处。在这里焦点将有大约28%的输入光束功率。最后一个焦点出现在“-1”阶(衍射阶)，具有相同的能量。在每一阶中，剩余的能量(~56%)将以光晕的形式分布在焦点周围。多焦点也可以用作准延长焦点元素，有效地在材料加工操作中创建更大的焦点深度。

多焦点镜片本身是平面型的DOE，外加的聚焦镜作用是增大焦深(切割深度)，使多焦点DOE在传播距离上具有更好的灵活性。

多焦点DOE的特点:

多焦点DOE的作用是使激光光束(单模或多模)入射到多焦点DOE元件和聚焦镜后，照射在被切割的透明物体时，能够在传播方向直接线上同时得到多个焦点。焦点之间的间距近乎相等，焦点数量2~15，切割深度0.1~10mm。

对于激光焦点数量、焦点间距、焦深长度等是需要进行特殊定制的。

多焦点DOE的普适性高，可配合单模激光或多模激光进行多焦点的制造。

-而且损伤阈值高，适用于各类光纤激光器、大功率皮秒激光器、飞秒激光器。

波长也可覆盖到193nm to 10.6um波段。

高效率，衍射效率最高可达>95%

多焦点DOE的应用:

在玻璃激光切割和激光微加工等应用中，多焦DOE可以用作准伸长聚焦元件，有效地提高聚焦深度。多焦点DOE主要应用于激光深度切割，例如激光玻璃切割、蓝宝石切割、透明薄膜切割等透明材料。

目前玻璃、蓝宝石的传统激光切割方法的缺点有：切割深度不够、容易裂纹、切口粗糙、不够精细等问题，而多焦点DOE切割可以很好地克服这些问题。它通过衍射光学原理对激光能量进行精密调控，以均匀排布的多个焦点对材料进行深度切割，它的切割精密且锋利，对厚度不同的材料能够切割出理想的切面。切面或切割截面的平整度达到微米量级甚至更高，得到边缘光滑、无挂渣、无毛刺和切割面几乎无锥度的效果，把加工质量提升一个等级，满足越来越精益的产品需求。激光加工系统中利用多焦点DOE或长焦深DOE切割玻璃、蓝宝石和有机玻璃等材料越来越受到行业的青睐。

对于多焦DOE通常有两种配置:

1:由具有预定焦距的平凸透镜和蚀刻在其平面上的衍射图案组成的DOE。

 

2:在多焦点DOE上添加一个常规的聚焦镜头，这样可以更加灵活的改变聚焦的距离，从而适应更加多变的工作环境。

 

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