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�。同時(shí)，場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折射場映射光束整形器πShaper。

像πShaper這樣的場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，通過精確地引入第一個(gè)分量的波差，并通過第二個(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，場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。簡而言之，折射場圖的主要光學(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)，無內(nèi)部聚焦。

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

Nd:YAG激光器的光束整形示例如圖2所示。這些測量輪廓表明，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，通過簡單改變激光束直徑來改變產(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(來源: Daimler AG)。

顯然，激光束大小的簡單外部或內(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在布局中的測量剖面。(來源:IPG Photonics)

結(jié)論

在場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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