第四届“创意光电”科普大赛参赛作品展示（5）：实现各类形状、大小光斑的高斯光束整形技术

实现各类形状、大小光斑的高斯光束整形技术

作者：付小健

1960年，世界上第一台激光器诞生，激光凭借着优良的单色性、平行度和高功率密度等优点在诸多领域得到普遍应用。典型的激光光束强度分布为高斯形状。不同的场合对光束的需求不同，在非线性光学中，激光抽运技术则需要光强呈现均匀分布；在激光电视中用以投影的光源需呈现平顶分布；切割、焊接、熔覆和激光退火等则对光斑的大小、性状、光强分布和焦深都有一定的要求。

一、激光整形的“手术刀”

激光光束整形常指采用光束整形透镜、镜片、微透镜或者不同形状光纤对光斑实现匀化效果，目前为止，有多种整形技术被提出，其中包含折射式、衍射式和积分式。折射式主要是非球面透镜，衍射式有衍射光学元件(DOE)，积分式涵盖微透镜阵列和积分棒或者波导管。

非球面透镜整形原理

通过能量守恒定律建立输入与输出的映射关系，通过非球面对光能重新分配，第二片非球面透镜对第一片非球面透镜引起的相位差进行校正，使在满足能量守恒的同时，满足所有的光线等光程。

2、DOE整形原理

DOE元件表面上有一层薄薄的凸起结构。与穿过其他区域的光相比，光穿过凸起区域时会受到延迟，从而形成相位分布。该相位分布然后塑造远场光束的强度。

3、反射型微透镜整形原理

基于几何光学的折射原理，将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化。

二、激光整形的实际应用

上图（g）中,采用不均匀光斑时沟槽边缘不规则而且有大面积的热影响区域；采用均匀光斑时，沟槽边缘平整而且轮廓清晰几乎没有热影响区。

上图（h）是采用基模高斯光斑和经整形系统后均匀光斑激光雕刻效果对比图，直接采用 TEM00光斑雕刻在中心形成一个不规则的洞，而通过整形系统的光束加以控制深度得到良好的效果。