激光光束的整形 如何將高斯光束轉(zhuǎn)化為平頂光束呢？

在1960年5月16日，人類有史以來(lái)的第一束激光在美國(guó)加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室，由科學(xué)家梅曼獲得了波長(zhǎng)為0.6943微米的激光。梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家，其發(fā)明的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認(rèn)的世界上第一臺(tái)激光器。

自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，激光由于其亮度高，單色性好，方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，在激光加工、精密測(cè)量、光學(xué)信息處理和全息術(shù)、光通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。圖1所示為應(yīng)用到激光的系統(tǒng)。

在理想狀態(tài)下，我們通常將點(diǎn)光源發(fā)出的球面波在各個(gè)方向上的光強(qiáng)是相等的。但是激光光束截面內(nèi)的光強(qiáng)分布卻是不均勻的，其在光束波面上的振幅呈高斯型函數(shù)分布，故又稱激光光束為高斯光束。

如圖2所示。其中，r=ω以時(shí)的光束截面半徑作為激光束的名義截面半徑。同時(shí)，高斯光束具有自聚焦性質(zhì)，這意味著在傳播過(guò)程中，光束的橫截面尺寸可以自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)傳播距離的變化。這種性質(zhì)使得高斯光束在一定程度上能夠自適應(yīng)不同的光學(xué)系統(tǒng)和光路。



圖2 高斯光束特性

從圖2中我們得知，高斯光束的任一截面的能量密度都不均勻。光束的強(qiáng)度沿著橫截面從中心向外逐漸減小，光束的邊緣部分強(qiáng)度較低，而中心部分強(qiáng)度最大。這個(gè)特點(diǎn)使得高斯光束在中心區(qū)域擁有高光強(qiáng)，但是在成像時(shí)，它將顯示為光束中心的一個(gè)非常明亮的點(diǎn)，離中心越遠(yuǎn)亮度越低，對(duì)于成像物體的成像質(zhì)量造成很大影響。圖3為使用高斯光束對(duì)熒光小球的成像效果，像面中心有一塊過(guò)曝的區(qū)域，遠(yuǎn)離中心，可以看見(jiàn)微弱的熒光小球的像。



圖3 高斯光束成像的熒光小球

為了達(dá)到勻場(chǎng)化的效果，需要將能量分布從高斯型轉(zhuǎn)化成平頂化。與高斯光束不同，平頂光束能量分布具有明確的尺寸和形狀，整個(gè)光斑的強(qiáng)度均勻，邊緣鋒利，光斑區(qū)域外沒(méi)有能量，與高斯光束的連續(xù)衰減相反。當(dāng)看平頂光束強(qiáng)度曲線時(shí)，它看起來(lái)有點(diǎn)像一頂帽子，因此它的名字叫做平頂光束（Top-hat）。

圖4 平頂化光束和高斯光束

當(dāng)我們使用平頂化光束對(duì)熒光小球進(jìn)行成像時(shí)，如圖5所示。在平頂化光束的均勻光強(qiáng)范圍內(nèi)，我們可以得到對(duì)比度比較高的熒光小球像。

圖5 平頂光束成像的熒光小球

平頂化除了在光學(xué)成像領(lǐng)域的作用，其在激光加工領(lǐng)域同樣有著重要的應(yīng)用。高斯光束兩側(cè)的強(qiáng)度低于激光加工所需的溫度閾值，兩側(cè)的能量會(huì)浪費(fèi)，導(dǎo)致能量利用率大大降低。兩側(cè)的能量也會(huì)損傷目標(biāo)區(qū)域以外的周圍區(qū)域，從而擴(kuò)展熱影響區(qū)。同時(shí)，中心部分能量過(guò)于集中，很容易將光學(xué)器件損壞。如圖6所示，相較于高斯光束（d = 200 微米）和頂帽光束（d = 62 微米），生成類似的表面形態(tài)光強(qiáng)分布使所需的劑量減小了10倍。

圖6 平頂光束和高斯光束對(duì)激光加工的影響

那么我們?nèi)绾螌⒏咚构馐D(zhuǎn)化為平頂光束呢？近年來(lái)，光束整形主要包括但是不限于以下四類：

第一類是，利用光纖束的靈活排布功能來(lái)實(shí)現(xiàn)光束整形。優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是光纖之間耦合效率低，能量損失大。

第二類是，利用衍射光學(xué)元件或相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束整形。優(yōu)點(diǎn)是衍射光學(xué)元件易制造，設(shè)計(jì)自由度高，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件難以完成的薄波面變換功能。如圖7所示

圖7 衍射元件整形

第三類是，利用折射或者反射元件對(duì)高斯光束的波前進(jìn)行分割重組。如采用分段棱鏡整形，微透鏡陣列整形，屋脊棱鏡反射鏡整形等等。如圖8所示。

圖8 微透鏡陣列整形

第四類是，利用非球面透鏡的像差來(lái)改變高斯光束的能量分布規(guī)律。為了不改變高斯光束的傳播方向，非球面透鏡一般成對(duì)使用。如圖9所示。

圖9 一對(duì)非球面透鏡整形

我們使用銳光凱奇的產(chǎn)品運(yùn)用第一種方法利用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)高斯光束的平頂化整形，主要通過(guò)使用二維俯仰調(diào)節(jié)架，將經(jīng)過(guò)透鏡組耦合的光束以不同的角度入射到多模光纖的入射口位置。

沿著多模光纖傳播的光線一般有兩種類型，一種是在光纖內(nèi)壁發(fā)射時(shí)總會(huì)穿過(guò)光纖中心軸，另外一種是永遠(yuǎn)不會(huì)穿過(guò)中心軸。如果僅有反射會(huì)時(shí)經(jīng)光纖中心軸的光線，經(jīng)多模光纖出射仍是高斯分布的光束。只有改變反射時(shí)不經(jīng)過(guò)光纖中心光束的入射角，才能改變兩種光線的傳播比例，從而達(dá)到平頂化的效果。

其在CCD靶面的光場(chǎng)分布如圖11所示。由圖中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，雖然在中間區(qū)域達(dá)到了平頂化的效果，但是在頂端的兩側(cè)區(qū)域還是存在著較弱的光強(qiáng)分布。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因可能和所選的多模光纖的NA值過(guò)大有關(guān)，即便如此我們?nèi)钥梢赃x擇使用頂端分布均勻的平頂化光束進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。




圖11 平頂化光束

審核編輯：劉清