文/ Kristina Kaszei，Cory Boone 

盡管在某些應(yīng)用中使用非高斯光束會(huì)有益，但是大多數(shù)激光束卻具有高斯輻照度分布。高斯光束的輻照截面隨著距中心距離的增加而對(duì)稱地減小。相比之下，平頂光束（也稱為禮帽光束）在光束橫截面上保持恒定的輻照度值，從而在整個(gè)激光系統(tǒng)的目標(biāo)上提供一致的強(qiáng)度（見(jiàn)圖1）。這在諸如半導(dǎo)體晶圓加工、各種材料加工，以及高功率光束的非線性頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確和可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

圖1：具有高斯光束輪廓的激光束（左）和具有平頂光束輪廓的激光束（右）的實(shí)驗(yàn)輻照度輪廓。

與高斯光束相比，平頂光束可以在處理系統(tǒng)中產(chǎn)生更干凈的切口和更銳利的邊緣，但是產(chǎn)生平頂光束會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。理解平頂光束輪廓的好處，以及產(chǎn)生平頂光束的不同方法，有助于激光系統(tǒng)集成商更好地了解哪種光束輪廓最適合其應(yīng)用。

高斯光束的特性

高斯激光器比具有其他光束輪廓的激光光源更為常見(jiàn)，并且更具成本效益。大多數(shù)高質(zhì)量的單模激光光源，都遵從低階高斯輻照度分布（也稱為T(mén)EM₀₀模式）發(fā)射光束。質(zhì)量較低的光源也將具有某些程度的其他激光模式，但是人們通常假定激光束具有理想的高斯分布，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)建模。

如果高斯光束和平頂光束具有相同的平均光功率，則高斯光束的峰值輻照度將是平頂光束的兩倍。當(dāng)高斯光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)傳播時(shí)，即使峰值或光束尺寸發(fā)生變化，也會(huì)保持高斯輻照度分布。這意味著高斯光束在變換下保持恒定。

高斯光束有什么問(wèn)題？

高斯激光輪廓有幾個(gè)缺點(diǎn)，例如光束可用中心區(qū)域任一側(cè)的低強(qiáng)度部分，稱為“兩翼”。這些兩翼通常包含浪費(fèi)的能量，因?yàn)槠鋸?qiáng)度低于給定應(yīng)用所需的閾值，這些應(yīng)用包括材料加工、激光手術(shù)以及其他一些要求強(qiáng)度超過(guò)兩翼強(qiáng)度的應(yīng)用（見(jiàn)圖2）。

圖2：對(duì)于許多應(yīng)用而言，平頂激光束輪廓比高斯光束輪廓能更有效地利用能量。在高斯光束輪廓中，高于應(yīng)用要求的強(qiáng)度閾值的過(guò)剩能量，和其外部或兩翼中低于閾值要求的能量，都被浪費(fèi)掉了。

高斯光束的兩翼也可能損傷目標(biāo)區(qū)域以外的周圍區(qū)域，從而擴(kuò)展熱影響區(qū)。這對(duì)于諸如激光手術(shù)和精密材料加工這樣的應(yīng)用而言，是非常不利的。在這種情況下，要優(yōu)先考慮高精度和對(duì)周圍區(qū)域的損傷最小化。由于這種影響，使用高斯光束形成的特征，將不會(huì)具有特別平滑的邊緣，這顯然會(huì)降低系統(tǒng)精度。

為什么要使用平頂光束？

與高斯光束相比，平頂光束輪廓中沒(méi)有兩翼，但具有較陡的邊緣過(guò)渡，因此能量傳輸效率更高，并且熱影響區(qū)更小。^[2]

從圖2中可以看出，與高斯光束相比，平頂光束的能量能夠更清晰地包含在給定區(qū)域中。使用平頂光束刻蝕、焊接或切割的任何特征，都將更加準(zhǔn)確，并且對(duì)周圍區(qū)域的損傷也會(huì)減少。平頂光束的主要優(yōu)點(diǎn)，使得它們能讓各種不同情況下的應(yīng)用都受益。在激光誘導(dǎo)損傷閾值（LIDT）測(cè)試和其他計(jì)量系統(tǒng)中，定義良好且一致的平頂光束輻照度輪廓，可以將測(cè)量不確定性和統(tǒng)計(jì)差異最小化。平頂光束在許多熒光顯微、全息和干涉測(cè)量系統(tǒng)中，也同樣具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。^[3]

如何評(píng)估實(shí)際激光束與理想平頂輪廓的接近程度呢？一種方法是分析實(shí)際激光束的平坦因子（Fη）。正如ISO 13694中所描述的，該因子是通過(guò)將平均輻照度值除以光束的最大輻照度值得出的。^[2]

平頂光束有哪些缺點(diǎn)？

平頂光束并非在所有情況下都是完美或理想的。它們不像高斯激光束那么具有成本效益，因?yàn)樾枰�額外的光束整形組件，才能將激光器的高斯輸出轉(zhuǎn)換為平頂輪廓。該組件既可以直接內(nèi)置在激光源中，也可以將它們放置在激光器外部的其他位置。

這些光束整形組件取決于輸入光束的尺寸，并且對(duì)x-y對(duì)準(zhǔn)敏感。另外，與高斯光束輪廓不同，平頂激光束輪廓在變換下不會(huì)保持恒定。這意味著當(dāng)光束傳播通過(guò)系統(tǒng)時(shí)，入射的平頂光束輪廓將不會(huì)保持平頂形狀。平頂光束輪廓最終將演化成類似于艾里斑分布的輪廓。

如何獲得平頂光束？

當(dāng)需要平頂光束輪廓、但系統(tǒng)受成本方面的嚴(yán)格限制、且性能不必非常高時(shí)，人們有時(shí)會(huì)使用孔徑將高斯光束物理截?cái)�，以形成偽平頂輪廓。這樣會(huì)切斷并浪費(fèi)高斯光束兩翼中的能量，并且不會(huì)使光束的中心部分變平。這種方法在保持低成本為主要決定因素的情況下，可能會(huì)有用。

對(duì)于需要更有效地使用昂貴的激光能量的高性能系統(tǒng)，通常選擇光束整形組件將高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束。有幾種不同類型的光束整形組件，包括折射、反射、全息和衍射設(shè)計(jì)。折射光束整形組件使用場(chǎng)映射非球面透鏡或自由曲面透鏡，以及其他折射組件來(lái)操控光束的相位（見(jiàn)圖3）。它們得益于強(qiáng)度和平坦相前分布的均勻性。通過(guò)穿過(guò)伽利略或開(kāi)普勒透鏡組件中的光學(xué)元件，可以操控入射光束的幅值和相位。

圖3：使用諸如愛(ài)特蒙特光學(xué)的AdlOptica πShaper平頂光束整形元件，通過(guò)波前畸變和能量守恒條件，將入射高斯光束折射整形為平頂輪廓。

在組件設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，此過(guò)程通常是高效的（效率>96％），并且與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。產(chǎn)生準(zhǔn)直平頂光束的折射光束整形器，對(duì)于全息和顯微系統(tǒng)，特別是長(zhǎng)距離工作的系統(tǒng)是有利的。

一些其他類型的折射光束整形器，將輸入的高斯光束輪廓轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直的艾里斑輪廓。這是有益的，因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)衍射極限透鏡組件聚焦后，艾里斑輪廓形成了具有平頂輪廓的聚焦點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。在包括微加工、光刻和微焊接在內(nèi)的許多應(yīng)用中，都希望在聚焦點(diǎn)具有平頂輪廓。^[4,5]

另一方面，衍射光束整形器利用衍射而不是折射，來(lái)改變?nèi)肷浼す馐�的輻照度分布。蝕刻工藝在襯底中形成特定的微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)，從而形成衍射元件。元件和波長(zhǎng)范圍的效果，通常取決于結(jié)構(gòu)的高度和區(qū)域間距。

因此，必須在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處使用衍射光學(xué)元件，以避免性能誤差。衍射光束整形器比折射設(shè)計(jì)更依賴于發(fā)散、對(duì)準(zhǔn)和光束位置。但是，衍射光束整形器在空間受限的激光系統(tǒng)中特別有利，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ蓡蝹�(gè)衍射元件而不是多個(gè)折射透鏡組成。衍射光束整形器既可以形成平頂光束，也可以形成艾里斑光束輪廓。

激光光束積分器，或者說(shuō)勻化器，是光束整形組件的另一種類型。它們由多個(gè)小透鏡陣列或小透鏡組成，將入射光束分成較小的光束（或者說(shuō)細(xì)光束）。然后，聚焦組件透鏡將細(xì)光束疊加在目標(biāo)平面上。

圖4：一些折射光束整形器，例如AdlOptica Focal πShaper Q平頂光束整形器，將入射的高斯光束輪廓轉(zhuǎn)換為艾里斑輪廓，以便在聚焦到一個(gè)點(diǎn)后形成平頂輪廓。

最終的輸出輪廓通常是陣列中每個(gè)小透鏡確定的衍射圖樣的總和。它們可以將入射高斯光束轉(zhuǎn)換為均勻的平頂輪廓。

但是，這些系統(tǒng)通常會(huì)經(jīng)歷隨機(jī)的輻照度波動(dòng)，從而導(dǎo)致輸出光束輪廓不是完美地平坦。表1中給出了不同光束整形技術(shù)的比較情況。在一些激光器系統(tǒng)中，精度和效率優(yōu)先于最小化成本，平頂光束對(duì)于這類激光器系統(tǒng)都是有利的。通過(guò)當(dāng)前市場(chǎng)上的折射、衍射和其他光束整形設(shè)計(jì)，激光器系統(tǒng)集成商在選擇光束整形器時(shí)，有許多可用的選擇。表1中提供了一些有用的經(jīng)驗(yàn)法則，但在實(shí)際應(yīng)用中，請(qǐng)與您的光學(xué)組件供應(yīng)商聯(lián)系，以在選擇最佳光束整形器以充分利用您的激光系統(tǒng)方面，獲得更多指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

1. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9887, 98872E (Apr. 27, 2016);  doi:10.1117/12.2217927.

2. See iso.org/standard/72945.html.

3. M. Eryilmaz et al., Cancers, 10, 1 (Jan. 22, 2018); doi:10.3390/ cancers10010025.  

4. Y.-J. Hung et al., J. Vac. Sci. Technol., 35, 3 (Apr. 11, 2017);  doi:10.1116/1.4980134.  

5. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9950, 995002 (Sept. 27, 2016);  doi:10.1117/12.2235712.