從高斯到平頂——激光光束整形技術(shù)全解讀

導(dǎo)語

在激光加工、科研實驗、醫(yī)學(xué)手術(shù)等場景里，“光斑不均勻、能量浪費" 常常讓人頭疼。光束整形（Beam Shaping）能把天然的高斯光束重新塑形為平頂、圓形、Bessel 或其他自定義分布，使每一毫焦耳的能量都發(fā)揮大價值。本文將從理論原理 → 主流技術(shù) → 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù) → 實戰(zhàn)選型四個層次，完整展開技術(shù)細(xì)節(jié)，幫助你快速定位適合的方案。

在激光燒蝕應(yīng)用中，具有高斯剖面的光束比具有平頂剖面的光束效率更低，這是因為存在大面積光束，其多余能量高于所需的燒蝕閾值，且在高斯剖面的外部區(qū)域能量低于該閾值。

一、光束整形的物理本質(zhì)

左圖為高斯光束強度隨半徑呈指數(shù)衰減，右圖為理想平頂光束在有效面積內(nèi)強度恒定。

二、光束整形的技術(shù)路徑

1.折射式光束整形

• 工作原理：利用非球面、自由形或自由曲面透鏡實現(xiàn)相位映射（field?mapping），在保持能量守恒的前提下將高斯波前扭曲為平頂或 Airy?disk 波前。

• 性能指標(biāo)：>96 % 透射率，波長獨立（寬波段適用），輸出波前平坦。

• 典型實現(xiàn)：

• Galilean/Keplerian 雙透鏡組合（實現(xiàn)光束壓縮與相位調(diào)制）。

• AdlOptica Focal?πShaper Q：將高斯直接轉(zhuǎn)為 Airy?disk，再經(jīng)聚焦鏡得到優(yōu)秀的平頂。

優(yōu)勢：高均勻度、低隨機(jī)波動，適合功率>10 W 的工業(yè)加工。局限：體積大、成本高，且對光束入口尺寸有一定要求（β > 16，見下文）。

采用場映射的折射式光束整形示例

2.衍射式光束整形

• 工作原理：在基片上刻蝕微/納米結(jié)構(gòu)（DOE），利用衍射把光的空間頻譜重新分配，實現(xiàn)特定的強度分布。

• 關(guān)鍵要點：

• 設(shè)計波長必須與實際工作波長匹配，否則相位誤差導(dǎo)致效率下降。

• 對準(zhǔn)與發(fā)散度要求更高（位置誤差會導(dǎo)致畸變）。

• 優(yōu)勢：單件體積小、可實現(xiàn)復(fù)雜非對稱光斑（如星形、環(huán)形），非常適合空間受限的科研平臺。

• 缺點：相對折射式對波長、入射角更敏感，且通常效率略低（60–80 %）。

3.光束積分器

• 原理：由微透鏡陣列（lenslet array）把入射光分割為若干束（beamlets），隨后通過匯聚透鏡在目標(biāo)面疊加，實現(xiàn)近似均勻的平頂分布。

• 適用條件：

• Fresnel 數(shù) < 10 時需使用成像型積分器，才能獲得高均勻度。

• 成本低、占用空間最小，但隨機(jī)強度波動較大（表格中標(biāo)記為 “High"）。

• 應(yīng)用實例：低功率激光打標(biāo)、光學(xué)投影系統(tǒng)的均勻照明。

備注：若系統(tǒng)對均勻度要求高，推薦在積分器前加入細(xì)分的再均勻化光學(xué)（如 diffuser）以降低隨機(jī)噪聲。

4.Axicon（錐形透鏡）— 生成 Bessel 光束

• 概念：傳統(tǒng)折射或反射 axicon 將平面波轉(zhuǎn)化為準(zhǔn) Bessel（quasi?Bessel）束，形成幾乎零衍射的長深場（Depth?of?Field, DOF）。

• 特性：自?修復(fù)（被障礙物阻擋后仍能恢復(fù)），適用于深孔加工、角膜手術(shù)、長距離測距。

• 實現(xiàn)差異：

• 折射 axicon：受色散影響，適用于窄譜激光。

• 反射 axicon：無色散，適合寬帶超快激光。

傳統(tǒng)折射axicon的示意圖，展示了景深（DOF）內(nèi)的貝塞爾光束區(qū)域以及在重疊區(qū)域之后傳播的環(huán)形光束。

反射axicon的示意圖。與傳統(tǒng)axicon類似，它會在景深（DOF）內(nèi)形成貝塞爾光束區(qū)域，并在重疊區(qū)域之后形成環(huán)形光束；但與傳統(tǒng)axicon不同的是，它不受波長影響。

5.柱面透鏡— 圓化橢圓光束

• 工作原理：只在單一軸向擁有光學(xué)功率（power direction），對另一軸（non?power direction）保持中性，實現(xiàn)軸向獨立調(diào)節(jié)。

• 設(shè)計要點：

• 測量激光二極管在 X/Y 方向的散度角 θ?、θ?。

• 選取兩片柱面透鏡的焦距 f?、f?，使 f?/f? = θ?/θ?，即可在兩軸上實現(xiàn)相同的發(fā)散度。

• 保證透鏡口徑 > 2 f tan θ，防止光斑被裁剪。

• 優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可實現(xiàn)激光光片（light?sheet）和圓形均勻光斑。

柱面透鏡的 power 與 non?power 方向示圖。

6.非等距棱鏡對

• 原理：兩塊傾斜棱鏡形成放大/壓縮比例，對 X、Y 軸分別施加不同的放大倍率，實現(xiàn)快速圓化或橢圓化。

• 適用場景：高功率激光的快速整形，或需要在不改變光路長度的前提下改變光斑比例。

一對變形棱鏡，在一個方向上充當(dāng)光束擴(kuò)展器，可將橢圓光束圓化。

三、關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)深度剖析

實用公式（用于快速估算）：

1. β = C·r?·λ·z（C 為常數(shù)，取 2π≈6.28）

2. 大口徑 d = 2 f tan θ（用于柱面透鏡與激光二極管匹配）

四、選型實戰(zhàn)流程（圖形化）

五、行業(yè)案例深度解析

六、常見誤區(qū) & 防坑指南

1. 只看“平頂"標(biāo)簽，忽視波前：平頂光斑若相位不平，聚焦后仍會出現(xiàn)熱點。 → 必須同時檢查 相位均勻性（使用波前傳感器）。

2. β < 4 直接購買折射式：實驗表明 β < 4 時幾乎不產(chǎn)生可用平頂，浪費成本。 → 先用 光束展開器 增大 r? 再選型。

3. 把積分器當(dāng)作“多能"：在高功率或要求較高均勻度的場景，積分器的隨機(jī)波動會導(dǎo)致加工缺陷。 → 結(jié)合衍射光學(xué)均勻化片或改用折射式。

4. 忽視熱效應(yīng)：高功率激光經(jīng)過薄膜 DOE 可能產(chǎn)生熱?光畸變。 → 選用 耐高功率、低吸收材料（如 CaF?、石英）并做好散熱設(shè)計。

結(jié)語

光束整形不再是“高深莫測"的實驗室玩意，而是一套基于物理、算法與產(chǎn)線經(jīng)驗的系統(tǒng)解決方案。只要掌握β > 16、通光量、波長適配三大設(shè)計支柱，你就能在加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制三方面實現(xiàn)顯著提升。