利用折射光束整形控制激光强度分布和光斑形状

江苏激光联盟导读：

随着高功率激光在材料加工中的日益普及，人们对激光强度分布和光斑形状的控制有着各种各样的要求。

随着高功率激光在材料加工中的日益普及，人们对激光强度分布和光斑形状的控制有着各种各样的要求。由于激光源的多样性，要求的复杂性也增加了:固态、二极管或光纤激光器可以是TeM00或多模、自由空间或光纤耦合、连续波或脉冲，激光功率范围从几瓦到几千瓦。为了满足这些要求，最新的光束整形解决方案可以建立在像πShaper这样的场映射折射光束整形器的基础上，其工作原理意味着将激光强度分布从高斯变换到平顶、超高斯或逆高斯，保持光束一致性，准直输出光束的低发散度。高透射率，扩展景深，能够与TeM00或多模激光器一起工作，仪器如望远镜或准直仪。本文介绍了折射光束整形器的基本原理和重要特点，以及一些可在此基础上构建的光学布局，以满足现代激光技术的要求。

现代激光技术中应用了几种光束整形技术：光圈截断光束、变迹滤波器衰减、基于微透镜阵列、微镜、棱镜和各种衍射光学元件的集成系统，但这些技术在现代强激光中的应用往往受到效率或对高功率激光辐射的抵抗力的限制。同时，场映射型折射光束整形器在实现TEM00和多模激光器的各种光束整形解决方案时，表现出几乎无损的强度分布变换、高电阻和灵活性。因此，这里建议考虑该光束整形技术的一些重要特征。

折射光束整形器的基本原理

图1折射场映射光束整形器πShaper。

像πShaper这样的场映射型折射光束整形器的设计原理是众所周知的。大多数情况下，这些设备都是由两个光学组件组成的望远镜系统实现的，这意味着输入和输出处的波前是平坦的，通过精确地引入第一个分量的波差，并通过第二个分量进一步补偿(图1，上)，可以在受控的控制器中实现强度分布从高斯到均匀的转换。因此，产生的准直输出光束具有均匀的强度和平坦的波前，其特点是低发散度——几乎与输入光束的发散度相同。换句话说，场映射器在不降低光束一致性和不增加光束发散度的情况下变换强度分布。简而言之，折射场图的主要光学特征是：

•折射光学系统将高斯强度分布转换为平顶（顶帽，均匀）强度分布；

•通过受控相位前沿操纵进行转换——第一个光学组件引入重新分配能量所需的球差，然后第二个光学组件补偿像差；

•输出光束无像差，相位轮廓保持平坦，因此提供低发散度；

•使用TEM00和多模波束；

•准直输出光束，

•产生的光束轮廓在长距离内保持稳定；

•实现望远镜或准直光学系统;

•消色差光学设计，因此在一定光谱范围内同时提供光束整形效果；

•Galilean设计，无内部聚焦。

图2光束整形示例：左：输入TeM00光束，右：πShaper后（来源：InnoLas Laser GmbH）。

Nd:YAG激光器的光束整形示例如图2所示。这些测量轮廓表明，光束整形器不仅转换了强度轮廓，还改善了光斑形状——可以看到轻微扭曲的输入光束被转换为具有规则圆形光斑形状的平顶输出光束。

场映射光束整形器的重要特点是能够实现光束整形和准直功能相结合的准直光学系统：发散高斯光束转换为准直平顶光束。准直光束整形器的示例如图3所示。

图3从光纤到准直平顶的发散高斯光束转换。

这一特性对于现代高功率光纤激光器以及光纤耦合二极管和固体激光器非常重要。

折射场映射器能够同时使用TEM00和多模激光束，这使其在其他原理上与光束整形器不同；显然，这一特点在实践中也很重要。

配置文件的控制

由于光束整形器的工作原理，输入光束尺寸的变化导致输出强度分布的变化（图1，底部）。该功能被用作一个强大且方便的工具，通过简单改变激光束直径来改变产生的强度分布。例如，在光束整形器之前使用变焦光束扩展器，可以提供平顶、反向高斯或超高斯强度分布。

尽管光束整形器采用圆形设计，但也可以实现一些非圆形对称轮廓，例如，椭圆输入光束被转换为“屋顶”轮廓，其特征是一个方向的强度均匀，另一个方向的强度为高斯（图4）。逆高斯强度分布适用于要求工件温度分布均匀的应用，例如塑料焊接、激光加热和硬化技术、选择性激光熔化。同时，超高斯分布在光谱激光合成、DPSS激光器泵浦、MOPA激光器设计等技术中也很有用。当特定任务需要非常高的线性光斑纵横比时，“屋顶”轮廓非常有用，然后输出光束在“高斯”部分聚焦会导致窄线。

图4 顶部：将圆形高斯光束转换为圆形平顶；底部：椭圆高斯光束被转换为屋顶轮廓。

改变输出光束轮廓的另一种方法是通过改变光束整形器组件之间的距离，在内部改变光束大小，这种方法如图5所示，其中显示了多模光纤耦合固体激光器的输入和输出光束轮廓。

将高功率固态光纤耦合激光器的辐射(l=1064 nm, P = 2 kW，纤芯直径600mm）输入到πShaper37_34_1064（见图7中的照片），结合了光束整形和准直功能。从光纤中射出的光束是发散的，其轮廓如图5 a所示。πShaper的输出是经过调节的光束，根据基本设计，它具有平顶光强分布（图5 b）。通过光学元件之间距离的内部变化，实现了输出光束轮廓的变化，从而实现了图5 c和图5 d所示的逆高斯轮廓。

图5大功率多模激光器的光束整形(来源: Daimler AG)。

显然，激光束大小的简单外部或内部变化允许使用相同的光束整形器单元生成不同的轮廓。

光斑形状的控制

根据基本设计，折射场映射光束整形器的输出光束是圆形的，并且具有预定的尺寸。然而，在大多数实际情况下，有必要放大或去放大光束，或将其形状改为椭圆或线性。由于折射光束整形器的输出是准直的低发散光束，因此使用光束扩展器、成像光学或变形光学系统可以轻松实现对激光光斑形状的操纵。

图6展示了用于微加工以产生均匀强度的方形激光光斑的成像光学系统示例。

图6使用πShaper和成像系统创建方形斑点；顶部：光学布局，底部：左侧-输入光束，中心：πShaper输出，右侧-最终方形光斑50 x 50mm2。

该系统是由用于微加工应用的普通组件构建的:激光、光束扩展器、galvomirror扫描头和F-theta透镜。利用折射光束整形器实现从高斯到平顶的光强重分布，并使用由附加准直器和上述F-theta透镜组成的成像光学元件将其输出成像到工件上：光束成形器的输出被认为是一个对象，然后在F-theta透镜的焦平面上创建图像。在该特定应用中，最终创建一个方形光斑是一项任务，因此该对象被实现为安装在光束整形器后的方形光圈（图6中心虚线）。得到的图像是50 × 50mm2大小的正方形斑点和平顶强度剖面(图6，右下)。

由此产生的光斑的强度分布以光斑边缘的高均匀性和高陡度为特征，这在PCB中钻盲孔或修复显示像素等应用中非常重要。

一些激光应用如激光清洗、退火、硬化和熔覆，是通过使用多模激光源实现的，如光纤耦合固态激光器和二极管激光器或光纤激光器。同时，在这些技术中，激光光斑的线性形状更可取，而πShaper与变形光学相结合，为这项任务提供了一个稳健的解决方案。图7显示了一种基于πShaper 37_34_1064的多千瓦多模激光器的系统实现。

图7 多模激光束生成“激光线”。

在所考虑的布局中，均匀强度的准直光束从准直光束整形器中射出，然后通过变形光学系统聚焦到工件上，变形光学系统被实现为一对透镜：一个正球面透镜和一个负圆柱透镜。由于变形光学系统的固有像散，光束聚焦在一个截面上，如图7中的Y，但在垂直截面X上保持非聚焦，因此产生了一个线性形状的光斑。该布局是为了利用高功率光纤激光器的辐射进行金属硬化而实现的，并创建了一条长度为10 mm、宽度约为0.5 mm的线。理论计算和实验结果的数据如图8所示。显然，理论和实验结果之间存在良好的一致性。在πShaper后应用更复杂的变形光学元件，可以提供具有极高（高达1:1000）纵横比的线性光斑；变形光学系统设计的开发通常是特定技术项目的重点。

图8:“线”生成:左:计算机模拟，右:根据图7在布局中的测量剖面。(来源:IPG Photonics)

结论

在场映射型折射光束整形器中实现的光学方法允许将这些系统作为通用工具应用于生成各种强度分布。这些光束整形器最初设计用于将高斯光束转换为均匀强度的光束，在生成其他轮廓时显示出高度的灵活性：逆高斯、超高斯，以及各种光斑形状：圆形、方形或线性。pShaper的一个显著特点是，使用相同的光束整形器单元可以实现这种不同的结果：张力分布和光斑形状。

来源：Laser Technik Journal - 2013 - Laskin - Solutions for Beam Shaping，Control oflaser intensity profile and spot shape with refractive beam shaping