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【光束整形的解决方案：利用折射光束整形控制激光强度分布和光斑形状】
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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 。
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