基于非球面镜的激光光束整形器原理及选型（Beam shaping based on aspheric lens）

上海昊量光电设备有限公司 2022-11-01 1654

描述

来自德国耶拿的Asphericon公司提供三种创新的平顶光束整形器，可在所有激光应用中发挥最大的性能，分别是TopShape、AiryShape和SqAiryShape。基于非球面光学技术，这些模块化组件可以将高斯光束简单地转化为各种圆形和方形的平顶激光光束轮廓。

激光光束整形器的输入和输出光束是可以自由扩展的。它们的光谱范围很宽（300纳米至2500纳米），可应用于计量学、显微镜或材料加工。a|TopShape以及a|AiryShape和a|SqAiryShape可用于准直激光器，也可用于光纤耦合光源。由于其紧凑的尺寸和精密非球面透镜的使用，激光光束成形光学器件具有出色的光学质量。由于其模块化设计和非球面镜的装配理念，光束整形器可以快速连接到光学系统中，而无需进一步调整。扩束器易于使用，可以简单地集成到现有的装置中，或与额外的扩束组件相结合。所有光学元件在高精度支架上的完美对准，使平顶激光扩束器能够在光束路径中完美定位。

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a|TopShape

探索TopShape，一种创新的光束整形器，可以轻松地将准直的高斯光束转变为准直的Top-Hat光束。这种激光设备以其非常紧凑的设计和无与伦比的光学性能（均匀性>90％）而令人信服。a|TopShape的光谱范围大，可接受不同的输入光束直径，并能产生至少300毫米的稳定光束轮廓。

现在还可提供a|TopShape长距离（LD）型，工作距离可达1.5米。

a|TopShape现在也有长距离版本。由于有效工作距离会随着光束尺寸的减小而减小，因此a|TopShape LD特别适用于需要较小光束直径的应用。如果较低的光束轮廓均匀性足以满足应用要求，新的光束整形器甚至可以实现更长的工作距离。

a|TopShape的规格参数

(1) 无与伦比的光学性能（均匀性>90%），没有任何功率损失。

(2) 光谱范围大（350纳米至2500纳米），是多波长应用的理想选择。

(3) 可接受不同的输入光束直径（± 10 %）。

(4) 稳定的光束轮廓（不均匀性<10 %）：a|TopShape用于至少300毫米，a|TopShape LD用于至少1米的长工作距离。

(5) 总长度极短(89.6 - 93.6 mm)。

(6) 输入光束直径MAX@ 1/e2 = 10 mm；输出光束直径MAX@ FWHM = 15.2 mm和15.7 mm之间。

(7) 适用于最高激光功率的光束整形部件（根据要求定制涂层）。

(8) 激光诱发的损伤阈值：12 J/cm², 100 Hz, 6 ns, 532 nm。

a|TopShape的外壳尺寸

a|TopShape的性能

下面的数字显示了在工作距离为100毫米时，通过14个表面（包括7个非球面）后测得的波前（左）和通过12个表面（包括6个非球面）后的光束轮廓（右）。所得到的波前误差均方根值为0.05λ，对应的Strehl（斯特列尔）值为0.9，证明了其非常高的光学质量。由此产生的0.1的光束均匀性和0.4的ISO边缘陡峭度强调了这一点。

a|TopShapeLD的性能

a|TopShape LD的突出特点是传输距离长且稳定。右图显示3000mm工作距离下的强度分布。它的特点是ISO光束均匀度为0.1。

a|TopShape的波长范围

涵盖波长范围a|TopShape用于设计波长355,632和1064nm，以及|TopShape LD用于设计波长[nm] 355,405,632,780和1064nm。

平顶强度分布优势

光束整形在激光材料加工和显微镜等领域有着重要的应用。高斯分布通常用于激光应用。它们在强度分布上有弱点。使用均匀的强度分布，即所谓的Top-Hats，可以获得比使用高斯分布更好的结果。例如，它们能使激光束的边缘陡度很高，从而提高切割边缘的质量，或者获得均匀的照明。受益于您的应用的轻松处理!利用非球面光束整形器将高斯激光轮廓转换为准直或聚焦的平顶强度分布。

a|TopShape的应用示例

如果基于不均匀照明的高斯光束轮廓，基于激光的广域荧光显微镜的定量分析可能非常具有挑战性。在这种情况下，使用a|TopShape可以提供帮助。将显微镜装置中的高斯光束转换为均匀的平顶轮廓，可确保显微镜载玻片的均匀照明，从而使图像更容易识别。

基于激光的显微镜设置，使用ashericon的a|TopShape和a|BeamExpander进行均匀照明

左边是传统系统（高斯光束）在FFI下的无边界缝合图像，右边是a|TopShape（同质性>95%）的缝合图像。

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a|AiryShape

另一个针对波长从300纳米到1600纳米优化的光束整形器是a|AiryShape。这种光束整形元件与聚焦透镜结合使用，可将准直的高斯光束转变为不同的聚焦光束轮廓（如Top-Hat、Donut）。由于其紧凑的设计，a|AiryShape可以很容易地集成到现有的设备中。

a|AiryShape的规格

（1）产生不同的光束轮廓

（2）剖面尺寸可通过焦距轻松扩展

（3）针对300纳米到1600纳米的波长进行了优化

（4）易于集成到现有设备中

（5）通过高精度安装实现完美对准

（6）紧凑型设计

（7）输入光束直径@ 1/e2 = 10 mm；输出光束直径dAiry = 10 mm

（8）激光诱发的损伤阈值：12 J/cm², 100 Hz, 6 ns, 532 nm

a|AiryShape的尺寸

a|AiryShape的性能&灵活性

在下图中，沿其传播方向（Z轴）的归一化光束剖面图被总结为一个图。检测范围是腰部位置周围的±1.5毫米。此外，在不同的工作平面上，相应的最有趣的强度剖面被显示为二维和横截面图。这两张特征光束轮廓图都是用a|AiryShape（λ=635纳米）生成的。根据a|AiryShape的工作原理，不仅可以在聚焦透镜的焦平面上生成一个Top-Hat光束轮廓，而且还可以在不同的工作距离上生成各种轮廓，以获得灵活性。所示光束轮廓的生成取决于输入光束的质量。为了达到最佳效果，需要一个完美的准直光束，并使波前畸变最小化。

a|AiryShape的波长范围

基于BeamTuning元素，AiryShape涵盖了一个广泛的波长范围，以满足您的挑战性应用。

a|AiryShape的应用示例

除了优化激光和加工参数外，焦点强度分布的调整为激光材料加工的高精度结果提供了巨大的潜力。「asphericon与位于耶拿的Otto Schott材料研究所（OSIM）合作，分析了用a|AiryShape生成的各种定制强度分布，以确定其是否适合用飞秒激光器进行微纳米尺度的材料加工，如切割、打标和生成激光诱导的周期性表面结构。所有结果均可在A. Möhl等人的论文中查看，可以扫描下方↓二维码下载相关论文」

左边是用传统系统（高斯光束）生成的钢槽状结构，中间和右边是用光束整形器a|AiryShape生成的（左边是面包圈轮廓，右边是Top-Hat）。

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a|SqAiryShape

想在焦点中创建方形的Top-Hat轮廓？有了a|SqAiryShape就没问题了。asphericon最新的光束整形器与聚焦透镜相结合，从准直的高斯光束中产生不同的方形聚焦光束轮廓（如Top-Hat, Donut）。这种光束整形器在300纳米到1600纳米的波长范围内进行了优化，其紧凑的设计（只有17.3毫米长）也给人留下了深刻的印象，可以很容易地纳入现有的应用设置中。它的工作距离可根据所使用的聚焦透镜而大大缩短。将一个qAiryShape与一个200毫米焦距的镜头和一个扩束器结合在一起，已经将总长度减少了25%。

a|SqAiryShape的规格参数

（1）产生不同的方形光束轮廓

（2）剖面尺寸可通过焦距轻松调整

（3）对300纳米到1600纳米的波长进行了优化

（4）易于集成到现有设备中

（5）通过高精度安装实现完美对准

（6）输入光束直径@ 1/e2 = 10 mm；输出光束直径dAiry = 10 mm

（7）激光诱发的损伤阈值：12 J/cm², 100 Hz, 6 ns, 532 nm

a|SqAiryShape的尺寸

a|SqAiryShape的性能和灵活性

下图显示了a|SqAiryShape（λ=1064nm）的光束轮廓截面，以及它在不同工作平面上的强度轮廓。由于a|SqAiryShape的工作原理，在焦点区域不仅产生了一个方形的Top-Hat轮廓，而且产生了各种具有四重对称性的轮廓。从a|SqAiryShape生成的所有显示的光束轮廓都取决于输入光束的质量。为了获得最佳结果，需要一个完美的准直光束，并使波前像差最小化。