光束整形常见的几种方法

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光束整形(Beam Shaping)是一种利用光束控制技术来改变光束的形状和特性的过程。随着激光技术的不断发展,激光的应用也越来越广泛,但是在半导体光刻、激光印刷、激光加工、光学信息处理等领域中,都对激光光束的均匀性有着一定的要求。然而激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布,这一特性使其往往不能被直接使用,需要通过光束整形来提高均匀性,以满足应用的需求。目前激光光束整形方法主要包括光阑法、场映射法和多孔径光束聚焦法。

一、光阑法

光阑法(Aperture Method)是一种常见的光束整形方法,使用的是光阑来调整光束的形状和大小。在光学设备中,光阑是一个用于限制和调整光束的物理孔径或开口。通过控制光阑的形状和大小,可以调整光束的横截面形状和大小,从而达到特定的光学性能。例如,将光阑设置为圆形,可以得到一个圆形光束;将光阑设置为矩形,则可以得到一个矩形光束。

在光阑法中,通常使用透镜或聚焦器将光束聚焦到光阑上,调整光阑的位置和大小来实现所需的光束形状和性能。光阑法可以用于激光微加工、光纤通信、光学传感等领域,是一种简单有效的光束整形方法。

二、场映射法

场映射法(Field Mapping Method)是一种常用的光束整形方法,它通过在光学系统的传输路径中使用特定的光学元件,如透镜阵列或光栅阵列,来调整光束的形状和分布。场映射法的基本原理是将输入光束的场分布映射到输出光束上,通过调整映射元件的参数,可以改变光束的横截面形状、尺寸和强度分布。

在场映射法中,常用的光学元件包括透镜阵列和光栅阵列。透镜阵列可以用来调整光束的焦距和聚焦效果,从而改变光束的聚焦性质。光栅阵列则可以用来分割光束和调整光束的相位分布,从而实现形状和分布的变换。

三、多孔径光束聚焦法

多孔径光束聚焦法(Multi-aperture Beam Focusing Method)由微镜阵列和聚焦元件组成,输入光束首先被微镜阵列分成若干子光束,再通过聚焦透镜对子光束叠加输出,以实现对光束的整形操作。这种方法适用于空间相干度较低的多模激光器,常用于光刻、激光加工和准分子激光器的整形中。

微镜阵列材料易获取,结构紧凑、易于调整,能量损耗较低,在光束整形领域有很好的应用。微镜阵列有很多种类,常见的有正交光楔阵列、复眼透镜阵列、微反射镜阵列、可变焦微透镜阵列等。微镜阵列的整形效果受到很多因素制约。其中阵列个数的影响最大,通常,双列微镜系统的光束整形能力是优于单列微镜系统的,这是因为第二列微镜会充当场镜阵列,使得入射光束经过光学系统后,其辐照光斑的边缘能量差异降低,进而提高均匀性。

这三种光束整形方法中,光阑法作为传统光束整形技术具有原理简单、操作方便等优点,但其会造成输入光束的能量损失。场映射器法经过严谨的设计可以做到有效无损,特别适用于单模激光器的整形。多孔径光束聚焦法中以 DMD 为代表的微反射阵列由于可主动调节有着不错的发展前景。这些方法常用于激光加工、光通信、光刻、光学显微镜、光学测量和生物医学等领域,以满足各种应用的需求。具体选择哪种方法取决于需要实现的光束整形效果、光源类型、工作波长以及实际应用场景。

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审核编辑:刘清

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