激光光束的整形

在1960年5月16日，人类有史以来的第一束激光在美国加利福尼亚州休斯实验室，由科学家梅曼获得了波长为0.6943微米的激光。梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家，其发明的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。自20世纪60年代问世以来，激光由于其亮度高，单色性好，方向性强的特点，在激光加工、精密测量、光学信息处理和全息术、光通信等领域有广泛的应用。图1所示为锐光凯奇往期的公众号内容中应用到激光的系统，感兴趣的读者可翻看往期内容。

图1 激光应用

在理想状态下，我们通常将点光源发出的球面波在各个方向上的光强是相等的。但是激光光束截面内的光强分布却是不均匀的，其在光束波面上的振幅呈高斯型函数分布，故又称激光光束为高斯光束。如图2所示。其中，r=ω以时的光束截面半径作为激光束的名义截面半径。同时，高斯光束具有自聚焦性质，这意味着在传播过程中，光束的横截面尺寸可以自动调整以适应传播距离的变化。这种性质使得高斯光束在一定程度上能够自适应不同的光学系统和光路。

图2 高斯光束特性

从图2中我们得知，高斯光束的任一截面的能量密度都不均匀。光束的强度沿着横截面从中心向外逐渐减小，光束的边缘部分强度较低，而中心部分强度最大。这个特点使得高斯光束在中心区域拥有高光强，但是在成像时，它将显示为光束中心的一个非常明亮的点，离中心越远亮度越低，对于成像物体的成像质量造成很大影响。图3为使用高斯光束对荧光小球的成像效果，像面中心有一块过曝的区域，远离中心，可以看见微弱的荧光小球的像。

图3 高斯光束成像的荧光小球

为了达到匀场化的效果，需要将能量分布从高斯型转化成平顶化。与高斯光束不同，平顶光束能量分布具有明确的尺寸和形状，整个光斑的强度均匀，边缘锋利，光斑区域外没有能量，与高斯光束的连续衰减相反。当看平顶光束强度曲线时，它看起来有点像一顶帽子，因此它的名字叫做平顶光束（Top-hat）。

图4 平顶化光束和高斯光束

当我们使用平顶化光束对荧光小球进行成像时，如图5所示。在平顶化光束的均匀光强范围内，我们可以得到对比度比较高的荧光小球像。

图5 平顶光束成像的荧光小球

平顶化除了在光学成像领域的作用，其在激光加工领域同样有着重要的应用。高斯光束两侧的强度低于激光加工所需的温度阈值，两侧的能量会浪费，导致能量利用率大大降低。两侧的能量也会损伤目标区域以外的周围区域，从而扩展热影响区。同时，中心部分能量过于集中，很容易将光学器件损坏。如图6所示，相较于高斯光束（d = 200 微米）和顶帽光束（d = 62 微米），生成类似的表面形态光强分布使所需的剂量减小了10倍。

图6 平顶光束和高斯光束对激光加工的影响

那么我们如何将高斯光束转化为平顶光束呢？近年来，光束整形主要包括但是不限于以下四类：

第一类是，利用光纤束的灵活排布功能来实现光束整形。优点是方法简单易于实现，缺点是光纤之间耦合效率低，能量损失大。

第二类是，利用衍射光学元件或相位调制器实现光束整形。优点是衍射光学元件易制造，设计自由度高，可实现传统光学器件难以完成的薄波面变换功能。如图7所示

图7 衍射元件整形

第三类是，利用折射或者反射元件对高斯光束的波前进行分割重组。如采用分段棱镜整形，微透镜阵列整形，屋脊棱镜反射镜整形等等。如图8所示。

图8 微透镜阵列整形

第四类是，利用非球面透镜的像差来改变高斯光束的能量分布规律。为了不改变高斯光束的传播方向，非球面透镜一般成对使用。如图9所示。

图9 一对非球面透镜整形

我们使用锐光凯奇的产品运用第一种方法利用光纤来实现高斯光束的平顶化整形，主要通过使用锐光凯奇的二维俯仰调节架，将经过透镜组耦合的光束以不同的角度入射到多模光纤的入射口位置，系统图如图10所示。

图10 系统图

沿着多模光纤传播的光线一般有两种类型，一种是在光纤内壁发射时总会穿过光纤中心轴，另外一种是永远不会穿过中心轴。如果仅有反射会时经光纤中心轴的光线，经多模光纤出射仍是高斯分布的光束。只有改变反射时不经过光纤中心光束的入射角，才能改变两种光线的传播比例，从而达到平顶化的效果。

其在CCD靶面的光场分布如图11所示。由图中的数据可见，虽然在中间区域达到了平顶化的效果，但是在顶端的两侧区域还是存在着较弱的光强分布。出现这个现象的原因可能和所选的多模光纤的NA值过大有关，即便如此我们仍可以选择使用顶端分布均匀的平顶化光束进行成像实验。

图11 平顶化光束

具体的操作过程如视频1所示。

当然现阶段有一些衍射光学元件不仅能够实现光束整形，也可以改变光束的输出形状，欢迎大家与我们进行积极交流和合作。

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