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域的科學家，其發明的紅寶石激光器發出了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、光通信等領域有廣泛的應用。圖1所示為應用到激光的系統。

在理想狀態下，我們通常將點光源發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，這意味著在傳播過程中，光束的橫截面尺寸可以自動調整以適應傳播距離的變化。這種性質使得高斯光束在一定程度上能夠自適應不同的光學系統和光路。



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，光斑區域外沒有能量，與高斯光束的連續衰減相反。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，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域的作用，其在激光加工領域同樣有著重要的應用。高斯光束兩側的強度低于激光加工所需的溫度閾值，兩側的能量會浪費，導致能量利用率大大降低。兩側的能量也會損傷目標區域以外的周圍區域，從而擴展熱影響區。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

那么我們如何將高斯光束轉化為平頂光束呢？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光束整形。優點是方法簡單易于實現，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制器實現光束整形。優點是衍射光學元件易制造，設計自由度高，可實現傳統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品運用第一種方法利用光纖來實現高斯光束的平頂化整形，主要通過使用二維俯仰調節架，將經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，一種是在光纖內壁發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光纖中心軸的光線，經多模光纖出射仍是高斯分布的光束。只有改變反射時不經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。由圖中的數據可見，雖然在中間區域達到了平頂化的效果，但是在頂端的兩側區域還是存在著較弱的光強分布。出現這個現象的原因可能和所選的多模光纖的NA值過大有關，即便如此我們仍可以選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