隨著高功率激光在材料加工中的日益普及，人們對(duì)激光強(qiáng)度分布和光斑形狀的控制有著各種各樣的要求。由于激光源的多樣性，要求的復(fù)雜性也增加了:固態(tài)、二極管或光纖激光器可以是TeM00或多模、自由空間或光纖耦合、連續(xù)波或脈沖，激光功率范圍從幾瓦到幾千瓦。為了滿足這些要求，最新的光束整形解決方案可以建立在像πShaper這樣的場(chǎng)映射折射光束整形器的基礎(chǔ)上，其工作原理意味著將激光強(qiáng)度分布從高斯變換到平頂、超高斯或逆高斯，保持光束一致性，準(zhǔn)直輸出光束的低發(fā)散度。高透射率，擴(kuò)展景深，能夠與TeM00或多模激光器一起工作，儀器如望遠(yuǎn)鏡或準(zhǔn)直儀。本文介紹了折射光束整形器的基本原理和重要特點(diǎn)，以及一些可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的光學(xué)布局，以滿足現(xiàn)代激光技術(shù)的要求。

現(xiàn)代激光技術(shù)中應(yīng)用了幾種光束整形技術(shù)：光圈截?cái)喙馐�、變跡濾波器衰減、基于微透鏡陣列、微鏡、棱鏡和各種衍射光學(xué)元件的集成系統(tǒng)，但這些技術(shù)在現(xiàn)代強(qiáng)激光中的應(yīng)用往往受到效率或?qū)Ω吖β始す廨椛涞牡挚沽Φ南拗啤Ｍ瑫r(shí)，場(chǎng)映射型折射光束整形器在實(shí)現(xiàn)TEM00和多模激光器的各種光束整形解決方案時(shí)，表現(xiàn)出幾乎無(wú)損的強(qiáng)度分布變換、高電阻和靈活性。因此，這里建議考慮該光束整形技術(shù)的一些重要特征。

折射光束整形器的基本原理

圖1折射場(chǎng)映射光束整形器πShaper。

像πShaper這樣的場(chǎng)映射型折射光束整形器的設(shè)計(jì)原理是眾所周知的。大多數(shù)情況下，這些設(shè)備都是由兩個(gè)光學(xué)組件組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這意味著輸入和輸出處的波前是平坦的，通過(guò)精確地引入第一個(gè)分量的波差，并通過(guò)第二個(gè)分量進(jìn)一步補(bǔ)償(圖1，上)，可以在受控的控制器中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度分布從高斯到均勻的轉(zhuǎn)換。因此，產(chǎn)生的準(zhǔn)直輸出光束具有均勻的強(qiáng)度和平坦的波前，其特點(diǎn)是低發(fā)散度——幾乎與輸入光束的發(fā)散度相同。換句話說(shuō)，場(chǎng)映射器在不降低光束一致性和不增加光束發(fā)散度的情況下變換強(qiáng)度分布。簡(jiǎn)而言之，折射場(chǎng)圖的主要光學(xué)特征是：

•折射光學(xué)系統(tǒng)將高斯強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為平頂（頂帽，均勻）強(qiáng)度分布；

•通過(guò)受控相位前沿操縱進(jìn)行轉(zhuǎn)換——第一個(gè)光學(xué)組件引入重新分配能量所需的球差，然后第二個(gè)光學(xué)組件補(bǔ)償像差；

•輸出光束無(wú)像差，相位輪廓保持平坦，因此提供低發(fā)散度；

•使用TEM00和多模波束，

•準(zhǔn)直輸出光束，

•產(chǎn)生的光束輪廓在長(zhǎng)距離內(nèi)保持穩(wěn)定；

•實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡或準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng);

•消色差光學(xué)設(shè)計(jì)，因此在一定光譜范圍內(nèi)同時(shí)提供光束整形效果；

•Galilean設(shè)計(jì)，無(wú)內(nèi)部聚焦。

圖2光束整形示例：左：輸入TeM00光束，右：πShaper后（來(lái)源：InnoLas Laser GmbH）。

Nd:YAG激光器的光束整形示例如圖2所示。這些測(cè)量輪廓表明，光束整形器不僅轉(zhuǎn)換了強(qiáng)度輪廓，還改善了光斑形狀——可以看到輕微扭曲的輸入光束被轉(zhuǎn)換為具有規(guī)則圓形光斑形狀的平頂輸出光束。

場(chǎng)映射光束整形器的重要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)光束整形和準(zhǔn)直功能相結(jié)合的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)：發(fā)散高斯光束轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直平頂光束。準(zhǔn)直光束整形器的示例如圖3所示。

圖3從光纖到準(zhǔn)直平頂?shù)陌l(fā)散高斯光束轉(zhuǎn)換。

這一特性對(duì)于現(xiàn)代高功率光纖激光器以及光纖耦合二極管和固體激光器非常重要。

折射場(chǎng)映射器能夠同時(shí)使用TEM00和多模激光束，這使其在其他原理上與光束整形器不同；顯然，這一特點(diǎn)在實(shí)踐中也很重要。

配置文件的控制

由于光束整形器的工作原理，輸入光束尺寸的變化導(dǎo)致輸出強(qiáng)度分布的變化（圖1，底部）。該功能被用作一個(gè)強(qiáng)大且方便的工具，通過(guò)簡(jiǎn)單改變激光束直徑來(lái)改變產(chǎn)生的強(qiáng)度分布。例如，在光束整形器之前使用變焦光束擴(kuò)展器，可以提供平頂、反向高斯或超高斯強(qiáng)度分布。

盡管光束整形器采用圓形設(shè)計(jì)，但也可以實(shí)現(xiàn)一些非圓形對(duì)稱輪廓，例如，橢圓輸入光束被轉(zhuǎn)換為“屋頂”輪廓，其特征是一個(gè)方向的強(qiáng)度均勻，另一個(gè)方向的強(qiáng)度為高斯（圖4）。逆高斯強(qiáng)度分布適用于要求工件溫度分布均勻的應(yīng)用，例如塑料焊接、激光加熱和硬化技術(shù)、選擇性激光熔化。同時(shí)，超高斯分布在光譜激光合成、DPSS激光器泵浦、MOPA激光器設(shè)計(jì)等技術(shù)中也很有用。當(dāng)特定任務(wù)需要非常高的線性光斑縱橫比時(shí)，“屋頂”輪廓非常有用，然后輸出光束在“高斯”部分聚焦會(huì)導(dǎo)致窄線。

圖4 頂部：將圓形高斯光束轉(zhuǎn)換為圓形平頂；底部：橢圓高斯光束被轉(zhuǎn)換為屋頂輪廓。

改變輸出光束輪廓的另一種方法是通過(guò)改變光束整形器組件之間的距離，在內(nèi)部改變光束大小，這種方法如圖5所示，其中顯示了多模光纖耦合固體激光器的輸入和輸出光束輪廓。

將高功率固態(tài)光纖耦合激光器的輻射(l=1064 nm, P = 2 kW，纖芯直徑600mm）輸入到πShaper37_34_1064（見(jiàn)圖7中的照片），結(jié)合了光束整形和準(zhǔn)直功能。從光纖中射出的光束是發(fā)散的，其輪廓如圖5 a所示。πShaper的輸出是經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的光束，根據(jù)基本設(shè)計(jì)，它具有平頂光強(qiáng)分布（圖5 b）。通過(guò)光學(xué)元件之間距離的內(nèi)部變化，實(shí)現(xiàn)了輸出光束輪廓的變化，從而實(shí)現(xiàn)了圖5 c和圖5 d所示的逆高斯輪廓。

圖5大功率多模激光器的光束整形(來(lái)源: Daimler AG)。

顯然，激光束大小的簡(jiǎn)單外部或內(nèi)部變化允許使用相同的光束整形器單元生成不同的輪廓。

光斑形狀的控制

根據(jù)基本設(shè)計(jì)，折射場(chǎng)映射光束整形器的輸出光束是圓形的，并且具有預(yù)定的尺寸。然而，在大多數(shù)實(shí)際情況下，有必要放大或去放大光束，或?qū)⑵湫螤罡臑闄E圓或線性。由于折射光束整形器的輸出是準(zhǔn)直的低發(fā)散光束，因此使用光束擴(kuò)展器、成像光學(xué)或變形光學(xué)系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光斑形狀的操縱。

圖6展示了用于微加工以產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的方形激光光斑的成像光學(xué)系統(tǒng)示例。

圖6使用πShaper和成像系統(tǒng)創(chuàng)建方形斑點(diǎn)；頂部：光學(xué)布局，底部：左側(cè)-輸入光束，中心：πShaper輸出，右側(cè)-最終方形光斑50 x 50mm2。

該系統(tǒng)是由用于微加工應(yīng)用的普通組件構(gòu)建的:激光、光束擴(kuò)展器、galvomirror掃描頭和F-theta透鏡。利用折射光束整形器實(shí)現(xiàn)從高斯到平頂?shù)墓鈴?qiáng)重分布，并使用由附加準(zhǔn)直器和上述F-theta透鏡組成的成像光學(xué)元件將其輸出成像到工件上：光束成形器的輸出被認(rèn)為是一個(gè)對(duì)象，然后在F-theta透鏡的焦平面上創(chuàng)建圖像。在該特定應(yīng)用中，最終創(chuàng)建一個(gè)方形光斑是一項(xiàng)任務(wù)，因此該對(duì)象被實(shí)現(xiàn)為安裝在光束整形器后的方形光圈（圖6中心虛線）。得到的圖像是50 × 50mm2大小的正方形斑點(diǎn)和平頂強(qiáng)度剖面(圖6，右下)。

由此產(chǎn)生的光斑的強(qiáng)度分布以光斑邊緣的高均勻性和高陡度為特征，這在PCB中鉆盲孔或修復(fù)顯示像素等應(yīng)用中非常重要。

一些激光應(yīng)用如激光清洗、退火、硬化和熔覆，是通過(guò)使用多模激光源實(shí)現(xiàn)的，如光纖耦合固態(tài)激光器和二極管激光器或光纖激光器。同時(shí)，在這些技術(shù)中，激光光斑的線性形狀更可取，而πShaper與變形光學(xué)相結(jié)合，為這項(xiàng)任務(wù)提供了一個(gè)穩(wěn)健的解決方案。圖7顯示了一種基于πShaper 37_34_1064的多千瓦多模激光器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖7 多模激光束生成“激光線”。

在所考慮的布局中，均勻強(qiáng)度的準(zhǔn)直光束從準(zhǔn)直光束整形器中射出，然后通過(guò)變形光學(xué)系統(tǒng)聚焦到工件上，變形光學(xué)系統(tǒng)被實(shí)現(xiàn)為一對(duì)透鏡：一個(gè)正球面透鏡和一個(gè)負(fù)圓柱透鏡。由于變形光學(xué)系統(tǒng)的固有像散，光束聚焦在一個(gè)截面上，如圖7中的Y，但在垂直截面X上保持非聚焦，因此產(chǎn)生了一個(gè)線性形狀的光斑。該布局是為了利用高功率光纖激光器的輻射進(jìn)行金屬硬化而實(shí)現(xiàn)的，并創(chuàng)建了一條長(zhǎng)度為10 mm、寬度約為0.5 mm的線。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)如圖8所示。顯然，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在良好的一致性。在πShaper后應(yīng)用更復(fù)雜的變形光學(xué)元件，可以提供具有極高（高達(dá)1:1000）縱橫比的線性光斑；變形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)通常是特定技術(shù)項(xiàng)目的重點(diǎn)。

圖8:“線”生成:左:計(jì)算機(jī)模擬，右:根據(jù)圖7在布局中的測(cè)量剖面。(來(lái)源:IPG Photonics)

結(jié)論

在場(chǎng)映射型折射光束整形器中實(shí)現(xiàn)的光學(xué)方法允許將這些系統(tǒng)作為通用工具應(yīng)用于生成各種強(qiáng)度分布。這些光束整形器最初設(shè)計(jì)用于將高斯光束轉(zhuǎn)換為均勻強(qiáng)度的光束，在生成其他輪廓時(shí)顯示出高度的靈活性：逆高斯、超高斯，以及各種光斑形狀：圓形、方形或線性。pShaper的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，使用相同的光束整形器單元可以實(shí)現(xiàn)這種不同的結(jié)果：張力分布和光斑形狀。

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