玻璃、藍寶石等激光切割過程中多焦點DOE的應用及原理

激光切割玻璃、藍寶石可以大大改善切割質量和效率。傳統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，其缺點是劃線質量較低和精度較低，一般會產生微裂紋、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。

為了實現這個目標，一般需要引入DOE或其它光學元件來拉長焦點，目前主流的技術有：多焦點DOE、長焦深DOE和激光成絲技術，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來實現特定的切割深度。

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玻璃，藍寶石切割等激光加工行業新趨勢——多焦點DOE技術

傳統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。它通過衍射光學原理對激光能量進行精密調控，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，把加工質量提升一個等級，滿足越來越精益的產品需求。激光加工系統中利用多焦點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的青睞。

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多焦點DOE，英文名為:Multifocal lens for lasers，衍射光學元件主要是利用光的波動性去設計光學元件，通過衍射光學元件表面的微結構去改變光在通過衍射光學元件時光波的傳輸相位從而進一步對入射光進行位相調制,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定,物距的設定，從而產生我們所需要的多焦點。

衍射光學元件在對入射光的位相進行調制的過程中,成像光學系統中使用的對稱式衍射光學元件的位相可表達為

φ(y)=A1y2+A2y4+……

公式中,y為衍射光學元件的徑向坐標;A1、A2…為各項系數。

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、衍射焦距和預定衍射焦距的函數在“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:

光束在經過多焦點DOE后會形成間距近乎相等的焦點一般焦點個數為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。

對于具有偶數聚焦點的多焦點DOE，通過特殊的設計和處理實現零階光斑的去除。對于二進制設計(2級圖案結構)，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，一個焦點將出現在透鏡的標稱光圈處。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延長焦點元素，有效地在材料加工操作中創建更大的焦點深度。

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，焦點數量2~15，切割深度0.1~10mm。

對于激光焦點數量、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的應用:

在玻璃激光切割和激光微加工等應用中，多焦DOE可以用作準伸長聚焦元件，有效地提高聚焦深度。多焦點DOE主要應用于激光深度切割，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。它通過衍射光學原理對激光能量進行精密調控，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，把加工質量提升一個等級，滿足越來越精益的產品需求。激光加工系統中利用多焦點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的青睞。

對于多焦DOE通常有兩種配置:

1:由具有預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，從而適應更加多變的工作環境。

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