簡易說明 M² 光束品質與 M² 轉換模組

日期：2023/02/01

簡易說明 M² 光束品質與 M² 轉換模組

一般情況下，光學系統設計通常是為單模雷射。不過許多高功率工業雷射的 M² 在3到大約100之間，通常被稱為“多模 (multi-mode)"或“部分同調 (partially coherent)”雷射。這些雷射包括多模光纖雷射、多模光纖耦合二極體雷射、準分子、多模固態雷射和VCSEL。

雖然他們有某些劣勢，就聚焦能力而言，更高的M²雷射提供比單模雷射更高的功率，並且在光學系統中對於元件的精度要求較低。

我們首先討論雷射的性質和 M² 的定義。
任何雷射光束都可以用三個參數來描述：波長、振幅(或強度)空間分佈和相位(或波前)空間分佈。單模雷射光束的特性是光腰位置的高斯強度分布和零相位差。

圖 1 雷射光束振幅和相位的不同組合影響組合成M²

為了更好地理解 M²，讓我們考慮兩種情況：理想負焦透鏡VS光漫射器，兩者後方都接單模高斯光束。假設在這兩種情況下，光束發散角和光腰直徑都相等。
對於第一種情況，我們會說光束保持單模，而對於第二種情況，光束變為多模。

可以解釋成對於第一種情況，我們可以藉由放置一個正焦透鏡輕鬆減去負焦透鏡的波前相加，雷射光束將恢復到完美的單模。
雖然在數學上我們也可以對第二種情況做還原，但實際上要如何消除漫射器效應精確地反轉波前相位是非常複雜的。

因此，如何定義多模雷射與如何將其轉換為單模光束的難易相等嗎? 利用先前關於雷射知識，我們可以說 - 至少部分是這樣。

下面我們介紹 M² 轉換模組
Holoor 的 M² 轉換模組是完整的 LeanLine (TM) 解決方案的一部分，我們為有興趣進行自己的生產線整形的客戶提供獨立解決方案。此模組是一種經濟高效的解決方案，使用多模（MM）雷射器作為輸入，可在一個軸上獲得幾乎單模（SM）光束品質。
它非常容易對準，保持相同的光軸，並且具有低數值孔徑的光學元件，使其易於與現有的線聚焦光學元件整合。輸入光束可以是圓形的。只需將模組放置雷射光束路徑中，經過一些微調后，即可獲得一個 M² 轉換光束。

繞射元件解決方案的優點：

◆    基於HOLO / OR的獨特IP內部開發。
◆    易於校準和安裝 – 模組經過預先校準和密封。
◆    通過光刻生產工藝實現極高的光束質量轉換精度。
◆    完全透射（無反射）的同軸系統。
◆    無像差。
◆    沒有內部焦點。
◆    提供從深紫外 193nm 到 1940nm NIR 的寬光譜範圍。
◆    由優質UV熔融石英製成，所有表面均具有高功率AR塗層。

SPECIFICATIONS:

波長	193 - 1940 [nm]
輸入M²	12-30
快軸形狀	Flat-Top like
慢軸形狀	Separate sections
穿透率	> 93%
尺寸	30mm diameter, 600mm length

* 每個波長系統最大光譜寬度為輸入波長的2%。

工作原理
輸出由等距離分隔的零件組成，在一個軸（快軸）上具有接近 SM 質量，在第二個軸（慢軸）上具有高度 MM。這些分離的低 M² 部分可以重新整形並聚焦。

M² 轉換模組模擬
下面是 M² 轉換模組的性能模擬結果。兩個剖面圖顯示波長為343nm、光束直徑為6mm，發散角 0.083度的圓形多模雷射的強度和發散度。使用 M² 計算器，這些光束參數相當於 M² 為20。

多模雷射的強度和發散度

下面的圖片展示了 M² 轉換模組出口處的強度和分布。在 M² 較小的軸上，光束尺寸為 0.65 mm，發散角為 0.094 度。計算出的 M² 為2.4。

X 軸上 M² 轉換模組輸出的強度和發散度

Y 軸上 M² 轉換模組輸出的強度和發散度

LeanLineTM (TM)
LeanLineTM 是 HOLO/OR 將圓形輸入光束轉換為線型光束的創新解決方案，適用於各種高功率應用，尤其是紫外光和綠光波長（343、355 和 532 nm）。
HOLO/OR 提供了一個強大的 2 模組系統，可將低相干性、圓形輸入轉換為確定長度 (100mm-750mm) 的窄線。
我們的解決方案基於專有的衍射光束整形概念，可以針對從 193nm 深紫外到 1940nm 紅外雷射的任何波長進行定制。

通過利用該解決方案，您可以使用更低功率、更低成本的雷射器在細線中實現相同的功率密度；節省大量成本。

繞射解決方案的優勢：
◆    易於對準和安裝。
◆    通過光刻生產工藝實現了極高的光束質量轉換精度。
◆    全透射（無反射）同軸系統。
◆    無像差。
◆    可以很容易地修改以產生不同的線長度和寬度。
◆    沒有內部焦點。
◆    可用於從 DUV 到 NIR 的寬光譜範圍。
◆    該解決方案包括兩個模組：