什么叫单镜片光束整形器和多镜片光束整形器？

Single element vs multi element beam shaper advantages

以色列Holo/Or的单元件光束整形器（DOE、ROE）能够在焦点或远场处生成平顶的强度分布，然而，这种单镜片光束整形器所产生的平顶光强所在平面的相位前沿并不平整。在某些应用中，平整的相位分布和平坦的强度分布同等重要，因为只有这样才能确保光束在腰围附近的散焦行为是对称的。多元件光束整形器multi element beam shaper通过使用多个元件，多镜片光束整形器可以执行相位和强度的高级操纵，镜片组光束整形器包括生成具有平坦相位轮廓的平顶光束。单个光束整形器光路简单，特别适合集成到工业激光系统中。

单个光束整形器Single element beam shaper

最常用的光束整形器类型之一是单个光束整形器。这些是自由曲面光学元件，可在输入激光束上创建预先设计的相位前沿，从而在远场产生均匀的强度分布。以色列Holo/Or DOE 和折射自由曲面（ROE，以色列Holo/Or 称之为 PT）都可以用作单个光束整形器，主要区别在于制造公差和波长敏感性的影响。在大多数情况下，DOE 在整形到几倍衍射极限（x、y 中 <15DL）时是最佳选择，因为 DOE 光刻生产方法的高精度使它们能够实现良好的整形质量。ROE 更适合形状较大（>15 DL）或多色照明（多个激光器）的情况，因为在这种情况下，自由曲面加工中的ROE表面误差对整形的影响较小。所有单元件光束整形器类型通常都在透镜系统的腰部（焦平面）处运行。典型装置由激光束进入用于调整直径的可变光束扩束器、光束整形器和聚焦透镜组成。这种简单的装置使单元件光束整形器特别适合集成到工业激光系统中。

多元件光束整形器multi element beam shaper

单元件光束整形器在焦点或远场处产生平顶强度模式，但此平面的相位前沿不平坦。平坦相位和平坦强度对于某些应用非常重要，因为散焦行为必须在腰部周围对称。多元件光束整形器通过使用多个元件，可以执行相位和强度的高级操纵，镜片组光束整形器包括生成具有平坦相位轮廓的平顶光束。最简单的此类配置是所谓的“准直平顶”，镜片组光束整形器是一种双元件系统：第一个焦点光束整形器元件在某个平面上创建平顶光束，第二个相位元件位于该平面上。第二个元件使相位平坦，生成具有平顶强度模式的准直光束。这些光束可用于透明介质中的体激光传感等应用或其他专门应用，因为它们在超过平顶尺寸 X100 倍的距离上保持其平顶轮廓（即对于 6 毫米平顶光束，准直范围 >600 毫米是合理的）。然而，镜片组光束整形器通常不适用于大多数工业光束整形应用，因为它们无法直接聚焦到一个小的平顶光斑。为了获得小光斑，必须以大比率（通常为 1:10-1:30）对此类光束进行成像，这需要难以调整的长光路。例如，对于典型的 F-Theta EFL=100mm，此类光学系统的光路将超过 3m。存在更复杂的多表面配置，但通常对整形任务没有优势，例如将 TEM00 高斯光束整形为任何给定形状或大小的平顶光束。通常，用于光束整形的表面越多，成本越高，并且光束中的损耗、散射和像差也越多。

什么是光束整形器？为什么需要光束整形器？

大多数激光器输出高斯光束轮廓，即光斑中心的能量密度较高，向边缘逐渐减小。这在各种激光应用中通常不是最优的，需要对光束进行整形。光束整形是将激光束强度轮廓和形状改变为更适合应用要求的分布的过程。这通常通过使用激光光束整形器来实现，激光光束整形器是一种操纵光束的衍射或折射元件，通常放置在系统聚焦透镜之前。激光光束整形器主要分为两大类：相位随机光束整形扩散器，最适合多模激光整形；输入相干光束的平顶整形器，适用于单模激光输入。在本文中，我们重点介绍以色列Holo/Or输入相干光束的平顶光束整形器，并比较了两种实现平顶的方法：使用单镜片光束整形器与使用多镜片光束整形器。

光束整形器质量参数

平顶光束整形器可以整形并创建平顶轮廓，而不会扰乱相位并产生内部散斑。因此，这种整形可以实现具有良好均匀性和锐利边缘的平顶斑点或光束，但对输入激光参数（例如光束直径、激光质量M2和用于将光束聚焦到工作平面的透镜系统）很敏感。

平顶光束的质量可以通过几个参数来表征：

效率 - 输入激光能量的哪一部分在形状内，通常定义为平顶水平的 exp-2。大多数光束整形器的效率都超过 90%，与整形方法无关。

过渡区域/边缘宽度 - 强度从平坦水平下降到零的区域称为过渡区域或形状的边缘。它以 mrad 为单位定义，用于角度整形或以 µm 为单位定义，是光束整形器设计和系统参数的函数。

均匀性 - 虽然设计为平坦的，但整形光束的平顶能量水平总是会有一些变化，其特征是峰谷比或峰均比。变化主要取决于系统参数，尽管光束整形器的生产公差确实发挥了作用。

所有平顶质量参数均来自单个系统参数，无论采用何种特定光束整形方法获得平顶。此参数是衍射极限发散，在聚焦系统中称为“衍射极限光斑尺寸”。具有一定直径和波长的单模 TEM00 高斯光束具有自然发散角，即使光束完全准直，该发散角也由衍射产生。此发散和聚焦系统的 EFL 共同决定光束聚焦时的光斑尺寸，称为衍射极限光斑尺寸 (DL)。

因此，基础物理学对光束整形施加了限制 - 不可能将光束整形为小于 DL 的形状。这就是为什么 DL 是光束整形的基本尺度单位。平顶尺寸与 DL 的比率决定了整形的质量。即平顶光斑的“平顶”程度。平顶形状中的 DL 越多，平顶质量越好。因此，任何不同的整形方法之间的比较都必须针对具有相同 DL 值的光学系统进行。即相同的波长、NA 和激光质量。

总结

激光光束整形是许多激光应用中非常有用的技术。所有光束整形器的基本单位是衍射极限光斑尺寸 - 无论使用何种方法进行整形，这都决定了整形质量。单元件光束整形器对于在工作表面上创建平顶光斑非常有用，易于集成并且能够与系统聚焦光学元件配合使用。大多数工业应用很少需要多元件光束整形器，因为它们产生的平顶光束不能直接聚焦，而必须成像，并且与单个元件相比，多个元件会增加成本并降低性能。