紧凑的折射式光束整形系统介绍

Asphericon提出了一种新的平顶光束整形系统，在《Advanced Optical Technologies》, Volume 5 (3) – Jun 1, 2016期刊中描述了一种新的折射式平顶光束整形，具有紧凑的平顶光束整形系统。在许多激光应用中，特别是在材料领域处理、光刻或光学数据存储，需要均匀的强度分布，而不是高斯光束轮廓。因此，对高斯光束进行紧凑的平顶光束的匀化整形的研究也越来越重要。一般情况下，通过高斯光束匀化技术产生一个平顶光束分布的轮廓主要有三类方法：孔径系统（Aperture Systems），光束积分技术（Beam Integrators,），场匹配技术（Field Mapping）。在这三类方法中，使用光圈孔径和积分器进行光束整形是相当困难，且积分器有很强的波长依赖性，使用光圈进行光束整形，会出现明显的能量损失。所以，使用折射光学元件进行折射式平顶光束整形器是很有效的，且结构简单，在波长变化方面更灵活，与衍射解决方案相比更容易制造。

由Frieden和 Kreuzer分别于1965年、1969年提出的使用双分离透镜组将具有高斯型能量分布的激光光束转换为均匀的平顶光束（图1），所介绍的折射光束整形琪的系统由两个旋转对称的平面非球面透镜组成。对于其工作原理，平顶光束整形可分伽利略式和开普勒式光束整形系统。开普勒型光束整形系统由两个正透镜组成，系统有一个内部焦点，在焦点区域内有较高的光强。伽利略式光束整形系统有一个负透镜，系统中没有内部焦点，系统长度可以大大缩短，所以这种紧凑式的光束整形系统更适合于大多数应用。本文也是以伽利略式光束整形系统展开讨论，对光学系统进行设计优化，缩短光学系统长度，新设计优化的系统长度可以减少50%。

图1 （上）Kreuzer的专利的模拟布局；（下）伽利略式光束整形系统的设计布局

图2显示了Kreuzer光学系统在工作距离WD=100毫米的强度分布工作距离为100毫米时的强度分布，斜率偏差RMSΔS_2-dim(75μrad/1/0.1).与具有理想表面的光束整形系统对比（左边），可以实现近乎完美的平顶光束轮廓。而新设计的光学系统的斜率偏差在RMS RMSΔS_2-dim(15μrad/1/0.1)范围内的真实表面结果（右边），可以看出，这个模块化的折射式平顶光束整形系统与基于Kreuzer专利的系统相比较，模块化方法所带来的入口光束直径的减少。创建如此紧凑的平顶光束整形系统需要较低的斜率偏差，对制造非球面来说，更高的Asphericon非球面制造质量可以缩短光束整形器系统的整体长度。

图2 Kreuzer光学系统（左）和折射式平顶光束整形系统（右）在WD=100mm的强度分布对比

对于光束整形器系统效果来说，控制入射光束轮廓是比较需要考虑的，特别是入射光束直径的变化。如图3，输入光束直径的微小偏差就会影响输出光束轮廓的不同，较小的输入光束直径会导致输出光束轮廓的中心区域隆起峰，而较大的输入光束直径会导致输出强度分布的中心区域的轻微压低，两边隆起的峰（像“狗耳朵”）。

图3 光束整形系统的输出强度分布与输入光束直径的关系

对于非焦距光束扩展系统，不同非球面可以被"串联 起来，在光束入射过程中进行不同的放大或缩小倍数的光束扩展（图4）。在级联结构中使用单片式光束扩展系统，涉及的光学表面比普通的伽利略望远镜系统多得多。更重要的是，每一个其他表面都是非球面的，能够在应用中实现灵活的光束扩展。另外，通过采用单片式SPA™扩束器改变输入光束直径，实现即插即用的光纤耦合，不需要进一步调整，且其表面形式偏差极低，波前RMS值在20mλ范围内。

图4 基于单片机系统的三个级联系统的光束扩展

对于在不同光束波长下的衍射光束整形，几纳米的波长变化很容易导致平顶轮廓的扭曲。通过调整两个非球面镜片之间的距离的，折射式平顶光束整形系统在波长范围上的覆盖范围更广，以增加其在使用上的通用性。如图5，Asphericon分析了300到2400纳米之间的波长变化对系统性能的影响。所以改变波长对输出光束的轮廓没有重大影响，输出光束直径的缩放是由短波长度的较高折射率引起的。

图5 光束整形系统的输出强度分布与光束波长的关系

如果在扩束系统中不可以调整两个透镜之间的距离以补偿由波长的变化引起的焦距变化，就会出现高阶波前误差。当使用单片式扩束器的级联时，这些波前误差影响累加起来，发散也会增加10倍。由于为每一个需要的波长制造单片扩束器是不可行的，因此变在扩束器后面增加变焦镜来对出射激光束的发散进行调整，补偿由光束波长变化引起的像差影响。新的SPA™Wavedapt的光学设计是在获得准直光束时，SPA™ Wavedapt便自动补偿适量的像差，通过设计四个基本的扩束器组（532、632、780和1064纳米）覆盖500至1600纳米的全部光谱范围，这使得它在使用上非常灵活，系统的总长度仍然很短。如图6，在生成贝塞尔光束的系统中，光纤耦合光源和具有4个非球面的扩束器，由于SPA™ AspheriColl在系统中使光束准直，生成的贝塞尔光束的长度便直接直接取决于光束直径。

图6 贝塞尔光束的长度取决于光束直径

在使用高斯分布的光束会导致沿光轴的中心的强度最大值，当激光激光工艺要求中心峰的强度几乎不变时，入射光束的分布必须是平顶分布。图6所示的例子系统装置因为被安装在同一轴心，不需要进一步的倾斜或偏心调整而显器得更灵活、更高精度。所以，为得到更紧凑的平顶光学整形系统，设计模块化的光束整形器，可以更灵活、更高精度的调节光学系统方案是很有研究意义的。