回折光学素子DOE レーザー材料加工、医療用

回折光学素子

回折光学素子（DOE）微細構造設計を用いて、伝播する光の位相を変化させる。合理的に設計された光学回折素子表面の微細構造は、特定の光を入力する際に設計に適合した光強度分布を出力することができる。DOE技術は伝統的な光学系では実行できない多くの機能と光操作を実現した。多くのアプリケーションでは、これらのテクノロジーはシステムのパフォーマンスを大幅に向上させています。回折光学スキームは、高効率、高精度、小サイズ、低重量など、多くの利点を持っています。最も重要なのは、さまざまなアプリケーション要件を柔軟に満たすことです。

DOE製品：ビームスプリッタとビーム整形器。

ビームビームスプリッタDOE単一レーザビームを入射ビームと同じ特性（パワーと伝搬角度を除く）を持つ複数のビームに分割するために使用されます。ビームスプリッタの回折パターンによる,ビームスプリッタは、1次元ビームアレイ（1×N)または2次元ビーム行列（M×N）。ビームスプリッタDOE入射ビームはまた、円形、ランダムパターン、六角形アレイなどの異なるスポット分布に分割することができる。ビームスプリッタは、特定の波長と特定の出力ビームとの間の分離角を有する単一色光（例えばレーザビーム）とともに使用する必要がある。

ビーム整数は、作業面上のほぼガウスビームを円形、矩形、正方形、線形の均一なビームに変換することができ、エッジプロファイル（光強度分布）。非常に明確であると同時に、ビーム整形器は出力強度分布の均一化を実現でき、レーザー加工時に表面を均一に処理でき、特定の領域の過度な露光や露光不足を防止できる。また、スポットには急峻な遷移領域があるため、処理領域と未処理領域との間に明確な境界が形成される。ビーム整形器シリーズはホモジナイザを含む、top-hat、スクロールレンズ（螺旋位相板）及び回折軸テーパミラー。

DOEの典型的な応用

レーザ電力が増加するにつれて、多くの統合システムのユーザ光学素子は高出力レーザに耐えられなくなる可能性がある。したがって、レーザ誘起損傷閾値（LIDTまたはLDT）のパラメータが光学素子を選択する際の重要な要素となる。回折光学素子の高損傷閾値は、高出力産業システムと応用のための理想的な選択となる。レーザー材料の加工用途とレーザーに基づく医療美容（医療）には高出力レーザーが必要である。

図1異なるビームスプリッタフレア分布、左から右:5×5アレイ、ランダム、六角形アレイ、円形

図2異なるビーム形状の結果、左から右へ：ホモジナイザ、フラットトップライト、渦レンズ、回折プリズム

レーザ材料の加工用途における回折光学素子の応用

最近、工業的需要のための新しいレーザシステムの開発が増加している。多くの新しい技術が開発され、多くの伝統的な加工技術がレーザー加工技術に取って代わられた。レーザ材料の加工はレーザ市場全体の大きな一部を占めており、DOEプロセスに適応したレーザービーム成形を提供する上で重要な役割を果たしている。レーザビーム成形と均一化技術は、多くのレーザ材料の加工応用を最適化するために不可欠なステップである。DOE表面上の小さな特徴的な構造を形成するために、レーザアブレーションおよびレーザ加工システム、レーザ穿孔、レーザ切断、その他の加工に一般的に使用されています。

DOEレーザーをベースにした美容治療

レーザー技術の使用が医療分野においてより不可欠なツールとなるにつれて、レーザー出力を制御する能力はますます重要になってきている。DOE素子の軽量さを維持しながら、光ビームをさまざまな方法で動作させるための独自のソリューションを提供します。美容治療には通常、高出力レーザーが用いられる。レーザー光の均一かつ正確な光線露光が必要で、正確な鋭いエッジを持ち、同時に高効率を持つ。これが回折光学素子を用いたビーム整形の理想的な解決策である。DOEレーザー脱毛、レーザータトゥー除去、皮膚修復、皮膚再生などによく使われています。

回折光学素子——ビームスプリッタ

ビームスプリッタの動作原理は非常に簡単です。お客様のシステム要件に応じて、コリメートからビームを入力し、分離角度でビームスプリッタから出力するDOE出てきて、この分離角度はDOEの設計中に決定され、分離角度は非常に正確である（誤差<0.03mRad）。ビームの分離は遠視野のために設計されている。したがって、光ビームがDOEその後も伝播が続き、より明確になります。

図3ビームスプリッタDOE、基本設定、EFL =有効焦点距離、m =多点の次数（点）、θs=2つの焦点間の分離角度、d = 2個の焦点間の距離（間隔）、θf= 全角、D =スポットアレイの長さ

図4 1×6分散媒体中を多点伝播

生成された「ゼロ次」を有する多光斑は回折されず、ビームは反射と屈折の法則に従う。奇数のビームを有する標準ビームスプリッタでは、分離角度は次数である+1と次数0間の角度（次数0は所望のビームである）。偶数個のビームを有する標準ビームスプリッタでは、分離角は+1ステップ和-1次の間の角度（ゼロ次は必要なビームではありません）。

回折光学素子——使用DOEビームせいけい

回折ビーム整形器は、ガウス入力ビームを鋭いエッジを有する均一なスポットに変換する位相素子である。各ビームシェーパは、波長、入力ビームサイズ、動作距離、出力スポットサイズのユニークな光学系パラメータのセットである特定の光学条件でのみ使用できます。

ビーム整形器の用途における最も基本的な設定には、レーザ、回折ビーム整形器素子、および処理される表面が含まれる。

フラットトップビーム整形器

トップキャップビーム整形器は、ガウス入射レーザビームのほぼ円形、矩形、正方形、線形または他の形状の均一な強度のスポットに変換するために使用され、特定の作業平面に高品質の鋭いエッジを持つ。高品質のビーム整形器性能を得るためには、レーザ出力は単一モード（TEM00），M2値＃アタイ＃<1.3。

ビーム整形器により、処理対象の物体表面に均一な光スポットを残すことができ、表面上で特定の領域の過度な露光や露光不足を防止することができる。また、このスポットは、処理領域と未処理領域との間に明確な境界を形成する鋭い遷移領域に特徴がある。トップハットビーム整形器は高効率（通常> 95%)、優れた均一性（通常±5%)、急峻な遷移領域と高レーザ損傷閾値。また、トップキャップ型ビーム整形器は、入力ビームサイズ、動作距離、および素子変位に敏感である。フラットトップDOEレーザー材料の加工用途（レーザーアブレーション、レーザー切断、レーザー穿孔）、美学的処理（タトゥーと脱毛）、科学的応用（フローサイトメトリー）などに一般的に使用されている。

ホモジナイザビーム整形器

こうがくホモジナイザDOE単一モードまたは多モード入力ビームを、所望の形状と均一なフラットトップ強度を有することを特徴とする明確に定義された出力ビームに変換する。最も一般的な拡散器で得られる形状は、円形、正方形、矩形、楕円形、六角形である。同時に、ほとんど任意の形状の画像を設計することができます。拡散ビームのエッジは通常、急峻で決定可能である。入力発散角とホモジナイザの拡散角の比は、遷移領域と出力ビームの均一化領域の比を決定する。遠視野または焦点面におけるビームの強度分布が理想的になるようにするために、DOEホモジナイザは、入射光を半ランダムな方向に半ランダムな方向にビーム分割する。この方法は、光強度が均一な条件下で正確な出力角度と寸法を有する任意の形状を生成できる素子を設計することができる。拡散器の性能は入射ビームパラメータに大きく依存し、また、高いM2入力ビームはより高い均一性を実現できる（図7）。ホモジナイザビーム整形器はビームサイズ、変位、素子傾斜に敏感ではない。高レーザ損傷閾値を提供し、均一性と効率は設計によって変化する。ホモジナイザDOEレーザー材料の加工用途（レーザー溶接、レーザーろう付け）、美学的処理（タトゥー/脱毛、体の輪郭）など。

図5ビームシェーパDOE、基本設定、d =成形スポットの寸法、D =ビーム径、EFL =有効焦点距離。

図6トップキャップ強度分布、左：正方形、右：円形

図7均質器の性能根拠M2変更、左:M2 = 1、右:M2 = 10 図8うずまきレンズDOEステップそう

回折光学素子——ヘリカル位相板

うずまきレンズDOEガウス入力分布をリングエネルギーリングに変換します。ヘリカル位相板は、透過ビームの位相を制御するために完全にヘリカルまたはヘリカル位相からなる独特の光学素子である。「ステップ」の頂部から底部までの総エッチング深さは、設計波長と基板の光学指数の関数である。一般的な条件下では、この深さは設計波長と同じ数段を有する。したがって、各渦相板は波長特異的である。光学渦は正確な単一モードを入力する必要がある（TEM00）Gauss入力ビームを使用し、それを変換してTEM01軸対称モード。

より大きな入力ビーム直径を使用することは2つの明らかな利点がある。まず、大きな光束は出力対をわずかに低減するDOEアラインメント公差の感度。第2に、大きな入力ビーム直径は、多くの用途で一般的に望ましい結果である小さな渦点を生成することができる。スクロールレンズは高効率（通常> 90%)と低い損傷閾値を示した。素子変位と回転の感度があります。うずまきレンズDOE材料加工用途（溶接）、光学通信（光学モード変換と生成）、科学用途（STED顕微鏡、光学ピンセット）など。

まとめ：

近年、回折光学素子は成熟し、広く応用されている技術となっている。DOE技術は主にビーム整形やビーム分割などに応用される。それは主にレーザー材料の加工応用、医美と科学応用などの分野に応用され、しかも大きな市場を持ち、レーザー応用市場全体の大部分を占めている。レーザパワーの向上と精度の要求が絶えず厳しいため、DOEの高レーザ損傷閾値と高精度の特徴により、レーザ応用問題を解決する有効な方案になった。