在1960年5月16日，人類有史以來的第一束激光在美國加利福尼亞州休斯實驗室，由科學家梅曼獲得了波長為0.6943微米的激光。梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領(lǐng)域的科學家，其發(fā)明的紅寶石激光器發(fā)出了694.3nm的紅色激光，這是公認的世界上第一臺激光器。

自20世紀60年代問世以來，激光由于其亮度高，單色性好，方向性強的特點，在激光加工、精密測量、光學信息處理和全息術(shù)、光通信等領(lǐng)域有廣泛的應用。圖1所示為應用到激光的系統(tǒng)。

在理想狀態(tài)下，我們通常將點光源發(fā)出的球面波在各個方向上的光強是相等的。但是激光光束截面內(nèi)的光強分布卻是不均勻的，其在光束波面上的振幅呈高斯型函數(shù)分布，故又稱激光光束為高斯光束。

如圖2所示。其中，r=ω以時的光束截面半徑作為激光束的名義截面半徑。同時，高斯光束具有自聚焦性質(zhì)，這意味著在傳播過程中，光束的橫截面尺寸可以自動調(diào)整以適應傳播距離的變化。這種性質(zhì)使得高斯光束在一定程度上能夠自適應不同的光學系統(tǒng)和光路。



圖2 高斯光束特性

從圖2中我們得知，高斯光束的任一截面的能量密度都不均勻。光束的強度沿著橫截面從中心向外逐漸減小，光束的邊緣部分強度較低，而中心部分強度最大。這個特點使得高斯光束在中心區(qū)域擁有高光強，但是在成像時，它將顯示為光束中心的一個非常明亮的點，離中心越遠亮度越低，對于成像物體的成像質(zhì)量造成很大影響。圖3為使用高斯光束對熒光小球的成像效果，像面中心有一塊過曝的區(qū)域，遠離中心，可以看見微弱的熒光小球的像。



圖3 高斯光束成像的熒光小球

為了達到勻場化的效果，需要將能量分布從高斯型轉(zhuǎn)化成平頂化。與高斯光束不同，平頂光束能量分布具有明確的尺寸和形狀，整個光斑的強度均勻，邊緣鋒利，光斑區(qū)域外沒有能量，與高斯光束的連續(xù)衰減相反。當看平頂光束強度曲線時，它看起來有點像一頂帽子，因此它的名字叫做平頂光束（Top-hat）。

圖4 平頂化光束和高斯光束

當我們使用平頂化光束對熒光小球進行成像時，如圖5所示。在平頂化光束的均勻光強范圍內(nèi)，我們可以得到對比度比較高的熒光小球像。

圖5 平頂光束成像的熒光小球

平頂化除了在光學成像領(lǐng)域的作用，其在激光加工領(lǐng)域同樣有著重要的應用。高斯光束兩側(cè)的強度低于激光加工所需的溫度閾值，兩側(cè)的能量會浪費，導致能量利用率大大降低。兩側(cè)的能量也會損傷目標區(qū)域以外的周圍區(qū)域，從而擴展熱影響區(qū)。同時，中心部分能量過于集中，很容易將光學器件損壞。如圖6所示，相較于高斯光束（d = 200 微米）和頂帽光束（d = 62 微米），生成類似的表面形態(tài)光強分布使所需的劑量減小了10倍。

圖6 平頂光束和高斯光束對激光加工的影響

那么我們?nèi)绾螌⒏咚构馐D(zhuǎn)化為平頂光束呢？近年來，光束整形主要包括但是不限于以下四類：

第一類是，利用光纖束的靈活排布功能來實現(xiàn)光束整形。優(yōu)點是方法簡單易于實現(xiàn)，缺點是光纖之間耦合效率低，能量損失大。

第二類是，利用衍射光學元件或相位調(diào)制器實現(xiàn)光束整形。優(yōu)點是衍射光學元件易制造，設計自由度高，可實現(xiàn)傳統(tǒng)光學器件難以完成的薄波面變換功能。如圖7所示

圖7 衍射元件整形

第三類是，利用折射或者反射元件對高斯光束的波前進行分割重組。如采用分段棱鏡整形，微透鏡陣列整形，屋脊棱鏡反射鏡整形等等。如圖8所示。

圖8 微透鏡陣列整形

第四類是，利用非球面透鏡的像差來改變高斯光束的能量分布規(guī)律。為了不改變高斯光束的傳播方向，非球面透鏡一般成對使用。如圖9所示。

圖9 一對非球面透鏡整形

我們使用銳光凱奇的產(chǎn)品運用第一種方法利用光纖來實現(xiàn)高斯光束的平頂化整形，主要通過使用二維俯仰調(diào)節(jié)架，將經(jīng)過透鏡組耦合的光束以不同的角度入射到多模光纖的入射口位置。

沿著多模光纖傳播的光線一般有兩種類型，一種是在光纖內(nèi)壁發(fā)射時總會穿過光纖中心軸，另外一種是永遠不會穿過中心軸。如果僅有反射會時經(jīng)光纖中心軸的光線，經(jīng)多模光纖出射仍是高斯分布的光束。只有改變反射時不經(jīng)過光纖中心光束的入射角，才能改變兩種光線的傳播比例，從而達到平頂化的效果。

其在CCD靶面的光場分布如圖11所示。由圖中的數(shù)據(jù)可見，雖然在中間區(qū)域達到了平頂化的效果，但是在頂端的兩側(cè)區(qū)域還是存在著較弱的光強分布。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因可能和所選的多模光纖的NA值過大有關(guān)，即便如此我們?nèi)钥梢赃x擇使用頂端分布均勻的平頂化光束進行成像實驗。




圖11 平頂化光束

審核編輯：劉清