文/Cory Boone，Kristina Kaszei

圖1：實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高斯光束（左）和平頂光束（右）的強(qiáng)度分布圖。[1]

大多數(shù)激光束具有高斯強(qiáng)度分布，然而，在某些應(yīng)用中，使用非高斯光束可能更有益。高斯光束的強(qiáng)度分布橫截面，會(huì)隨著與中心距離的增加而對(duì)稱地減小。相比之下，平頂光束在橫截面上保持恒定的強(qiáng)度分布，從而在加工時(shí)能夠在靶材上實(shí)現(xiàn)一致的輻照強(qiáng)度（見圖1）。因此，在半導(dǎo)體晶圓加工、其他材料加工及大功率激光的非線性頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中，可獲得更精確、更可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

與高斯光束相比，平頂光束可以產(chǎn)生更干凈的切口和更銳利的邊緣，但產(chǎn)生平頂光束會(huì)增加額外的系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。了解平頂光束的優(yōu)點(diǎn)及產(chǎn)生平頂光束的不同方法，有助于激光系統(tǒng)集成商根據(jù)其應(yīng)用種類，選擇合適類型的激光光束。

高斯光束的特性

與其他光束類型的激光源相比，高斯激光更為常見，成本效益也更高。大多數(shù)高質(zhì)量的單模激光器，發(fā)出的光束都遵循低階高斯輻照度曲線，這也被稱為 TEM00模式。質(zhì)量較差的光源也會(huì)有一定程度的其他激光模式存在，但通常會(huì)假定激光具有理想的高斯輪廓，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)建模。

如果高斯光束和平頂光束具有相同的平均光功率，則高斯光束的峰值輻照度將是平頂光束的兩倍。高斯光束在光學(xué)系統(tǒng)中傳播時(shí)，即使峰值強(qiáng)度或光束尺寸發(fā)生變化，它也會(huì)保持高斯輻照度曲線分布。這意味著高斯光束在傳播過程中保持不變。

高斯光束有什么問題？

高斯光束也有其缺點(diǎn)，在應(yīng)用中，通常采用的是光束中心區(qū)域高強(qiáng)度部分，而兩側(cè)的低強(qiáng)度部分（即所謂的“翼”）往往就被浪費(fèi)了，因?yàn)闊o論是材料加工、激光手術(shù)，還是其他應(yīng)用，都需要激光強(qiáng)度高于應(yīng)用所需的閾值（見圖 2）。

此外，高斯光束的兩翼也可能損傷目標(biāo)區(qū)以外的區(qū)域，從而擴(kuò)大熱影響區(qū)。這對(duì)激光手術(shù)和精密材料加工等是不利的，因?yàn)檫@些應(yīng)用優(yōu)先考慮的是高精度和最小的熱影響區(qū)。因此，高斯光束加工材料不會(huì)有特別光滑的邊緣，從而降低了系統(tǒng)的精度。

為什么使用平頂光束？

與高斯光束相比，平頂光束剖面沒有翼形部分，邊緣過渡更陡，因此強(qiáng)度傳輸效率更高，熱影響區(qū)更小。[2] 使用平頂光束進(jìn)行蝕刻、焊接或切割都會(huì)更加精確，對(duì)周圍區(qū)域的損傷也會(huì)更小。

圖2：在眾多應(yīng)用中，平頂光束比高斯光束的能量利用率更高。對(duì)于高斯光束，高于應(yīng)用閾值的多余能量和低于閾值的光束邊緣（或翼形區(qū)域）的能量，都被浪費(fèi)了。

平頂光束的這一主要優(yōu)勢(shì)使其適用于多種不同情況。在激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT）測(cè)試和其他計(jì)量系統(tǒng)中，平頂光束均勻的強(qiáng)度分布可以最大限度地減少測(cè)量不確定性和統(tǒng)計(jì)方差。平頂光束在熒光顯微、全息術(shù)和干涉測(cè)量系統(tǒng)中也很有優(yōu)勢(shì)。[3]

評(píng)估實(shí)際激光光束是否接近完美平頂光束的一種方法，是分析其平整度系數(shù) (Fη)，其計(jì)算方法是用平均輻照度值除以光束的最大輻照度值，如 ISO 13694 標(biāo)準(zhǔn)所述。[2]

平頂光束的缺點(diǎn)是什么？

平頂光束并非適用于所有應(yīng)用場(chǎng)景。它不像高斯光束那樣具有成本效益，因?yàn)樾枰�額外的光束整形組件，才能將高斯光束整形為平頂光束。該組件既可以直接內(nèi)置在激光源中，也可以在激光器之外的系統(tǒng)中使用。這些光束整形組件取決于輸入光束的尺寸，并對(duì) X-Y 平面對(duì)準(zhǔn)比較敏感。此外，與高斯光束不同，平頂光束在傳播過程中不會(huì)保持不變。這意味著入射的平頂光束在系統(tǒng)中傳輸時(shí)不會(huì)保持平頂形狀，最終會(huì)演變?yōu)轭愃朴诎�里斑分布�?/span>

如何實(shí)現(xiàn)平頂光束？

如果需要平頂光束，但是系統(tǒng)成本非常有限且性能不需要非常高時(shí)，可以使用小孔對(duì)高斯光束進(jìn)行物理截?cái)�，以形成偽平頂輪廓。這種方法切斷并浪費(fèi)了高斯光束兩翼的能量，并不會(huì)使光束的中心強(qiáng)度分布變均勻。如果維持低成本是一個(gè)主要因素，這種方法可能會(huì)很有用。

而對(duì)于需要高效利用激光能量的高性能系統(tǒng)，可以采用光束整形組件將高斯光束整形為平頂光束。光束整形組件有多種不同類型，包括折射、反射、全息和衍射器件。折射型光束整形器件使用場(chǎng)映射非球面或自由曲面透鏡和其他折射組件來調(diào)控光束的相位（見圖 3）。其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度分布均勻，相位前沿平坦。入射光束的振幅和相位，通過伽利略透鏡或開普勒透鏡組件中的光學(xué)元件進(jìn)行調(diào)控。這一過程通常效率很高（大于96%），并且在器件設(shè)計(jì)范圍內(nèi)與波長無關(guān)。折射型光束整形器產(chǎn)生的準(zhǔn)直平頂光束，特別適用于長距離工作的應(yīng)用，如全息成像和顯微系統(tǒng)。

圖3：基于波前畸變和能量守恒條件等工作原理，利用Edmund Optics的AdlOptics的AdlOptica πShaper平頂光束整形器，將高斯光束整形為平頂光束。[1]

其他類型的折射型光束整形器，將高斯光束整形為準(zhǔn)直的艾里斑。這樣做的好處在于，艾里斑通過衍射極限透鏡組聚焦后，會(huì)形成具有平頂輪廓的聚焦點(diǎn)（見圖 4）。在微加工、光刻和微焊接等許多應(yīng)用中，聚焦點(diǎn)都需要平頂輪廓。[4,5]

圖 4：折射型光束整形器，如 AdlOptica Focal-πShaper Q 平頂光束整形器，可將高斯光束整形為艾里斑，以便在聚焦點(diǎn)形成平頂輪廓。

另一方面，衍射型光束整形器利用衍射而不是折射，來改變?nèi)肷浼す馐�的�?qiáng)度分布。利用蝕刻工藝在基板上制備特定的微納米結(jié)構(gòu)，從而形成衍射元件。衍射元件的效果和波長范圍通常取決于結(jié)構(gòu)的高度和區(qū)域間距。因此，衍射光學(xué)元件必須在設(shè)計(jì)波長范圍內(nèi)使用，以免出現(xiàn)性能誤差。

與折射型光束整形器相比，衍射型光束整形器對(duì)發(fā)散角、對(duì)準(zhǔn)和光束位置更敏感。不過，衍射型光束整形器在空間受限的激光系統(tǒng)中有其特殊優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渫ǔＳ蓡蝹�(gè)衍射元件取代多個(gè)折射透鏡，既能形成平頂光束，也能形成艾里斑。

激光光束積分器或均質(zhì)器，是另一種類型的光束整形組件。它們由小透鏡陣列組成，將入射光分離成更小的光束。然后，聚焦透鏡將小光束疊加到目標(biāo)平面上。最終輸出光束是陣列中每個(gè)小透鏡產(chǎn)生的衍射圖樣的總和。它們可以將入射的高斯光束整形為均勻的平頂輪廓。然而，這些系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)遇到隨機(jī)輻照度波動(dòng)，導(dǎo)致輸出的光束輪廓并非完全強(qiáng)度均勻。表1將各種光束整形器進(jìn)行了對(duì)比。

表1：幾種典型的光束整形技術(shù)對(duì)比

平頂光束適用于各種激光系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，精度和效率比成本更重要。目前市場(chǎng)上有折射型、衍射型和其他類型的光束整形器，激光系統(tǒng)集成商在選擇光束整形器時(shí)有多種選擇。表1提供了一些有用的經(jīng)驗(yàn)法則，但如果想充分利用激光系統(tǒng)，還需要聯(lián)系光學(xué)元件供應(yīng)商，以獲得更多關(guān)于選擇最佳光束整形器件的專業(yè)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

1. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9887, 98872E (Apr. 27, 2016); doi:10.1117/12.2217927.

2. See iso.org/standard/72945.html.

3. M. Eryilmaz et al., Cancers, 10, 1 (Jan. 22, 2018); doi:10.3390/cancers10010025.

4. Y.-J. Hung et al., J. Vac. Sci. Technol., 35, 3 (Apr. 11, 2017); doi:10.1116/1.4980134.

5. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9950, 995002 (Sept. 27, 2016); doi:10.1117/12.2235712.