使用非球面透镜进行平顶光束整形

对于入射的准直高斯光束，通过使用非球面透镜进行光束整形，可以生成准直Top-Hat（平顶分布）。因为通过使用非球面透镜改变入射光束的偏转后再进行准直，从达到均匀强度分布的平顶光束整形效果。然而，由于相关透镜的表面质量缺陷，现有光束整形系统的一个缺点是非球面之间的距离问题而导致的光学系统总长度较长。

Asphericon在光束整形中a|TopShape使用非球面透镜提供了一个紧凑型光束整形器系统，其尺寸仅为传统光束整形系统的一半。由于非球面透镜的高精度对减少的光学系统的总长度是较显著的，所以其可以在a|BeamExpander和a|AspheriColl的组合下灵活地对各种高斯光束各种进行平顶光束整形。图1展示了具有光纤耦合和输入、输出光束缩放比例的示例设置。

图1 光束整形系统a|TopShape与光纤准直器a|AspheriColl和a|BeamExpander组合示意图

在应用中，图2展示了Asphericon的紧凑型光束整形器中a|TopShape与两个a|BeamExpander和一个a|AspheriColl组合所用于的光纤耦合的实验光学系统装置。完整光学系统装置的组装只需要大约200毫米的空间长度。使用光束轮廓相机(Ophir SP928)在635nm的波长和100m的工作距离下测量所得强度分布（图3）。此Asphericon的紧凑型光束整形器的效果在强度分布上，ISO平顶均匀度为0.3和ISO边缘陡度为0.4。

图2 实验装置包括：a|AspheriColl、两个 a|BeamExpander 和 a|TopShape

此外，由于传感器尺寸有限，在图2所示的紧凑型光束整形器中添加了另一个a|BeamExpander，并将光束直径减小到所需的尺寸。通过14个表面后，其中7个是非球面，所得波前的RMS波前误差为0.05λ，对应于0.9（λ=632）的Strehl相比。

图3a 测量的光束轮廓和；3b 使用相干激光源测量图

在实验过程中，获得了沿光轴至少300mm的稳定Top-Hat（平顶）强度分布，所以a|TopShape通常用于照明和计量领域和荧光显微镜。基于激光的荧光显微镜的定量分析要求很高，特别不均匀的照明，分子被不规则地激活（到照明中心的距离越大，荧光越低）导致边界的较暗，图像的拼接便失去了其信息。使用a|TopShape对入射的高斯光束进行变换得到进入均匀、平顶光束轮廓，确保了均匀照明性和荧光分子的均匀激活。

激光材料的加工中如果使用具有高斯光束轮廓的激光器，光束边缘的强度降低会对切割边缘的质量产生影响（图4）。焦平面上均匀的强度分布可以解决这个问题，因为它允许光束均匀的热量输入到加工材料中，从而产生光滑的切削刃。Asphericon通过将a|AiryShape与聚焦透镜结合使用，可以根据要求以不同的尺寸创建不同的光束轮廓（平顶分布或环形分布）。a|AiryShape的工作原理是基于衍射理论和傅里叶变换。准直光束的高斯强度分布首先通过相位板转换为Bessel-sinc分布（艾利分布）。随后，由于傅里叶变换，在镜头的焦平面上出现了平顶分布。聚焦Top-Hat（平顶分布）的另一个应用领域是增材加工，即所3D打印。Top-Hat（平顶分布）焦点在此处用于填充先前已通过激光烧结烧结的精细轮廓内的较大区域。

图4 光束轮廓对材料加工结果的影响

实验室应用中，用于光纤耦合的a|AspheriColl和用于缩放光束的a|BeamExpander以及a|AiryShape组成的元件和聚焦透镜(f=200mm)的实验光学装置如图5所示，系统的总长度约为150毫米。

图5 由以下组件组成的实验装置

a|AiryShape的优势在于，可以在不同的工作平面中使用相同的光学系统装置生成多个强度分布。如图6所示，使用光束轮廓相机(Ophir SP928)沿光轴移动所得到的光束轮廓图像，检测到的五种特征光束轮廓中，其中三种不同的平顶分布、束腰分布和环形分布

图6 使用a|AiryShape光束整形的光束轮廓2D和横截面图(λ=635nm)

对于所介绍的两个光束整形系统，均可实现灵活和高质量的光束整形。这两个组件的共有的显著优点是模块化设计。因此，这两种系统都可以与准直光束和光纤耦合源一起使用。此外，对于输入和输出光束可以缩放，因此两个系统都可以轻松集成到现有的光学系统设置中。在安装上所有组件上的公制细牙螺纹也可确保顺利操作，其安装座中的高精度组装可实现光路内的完美对准。