單元件與多元件光束整形器的優點
單元件與多元件光束整形器的優點
什麼是光束整形器？為什麼需要光束整形器？
大多數雷射輸出高斯光束輪廓，光斑中心的注量較高，並向邊緣逐漸減少。這在需要光束整形的各種雷射應用中通常不是最佳的。光束整形是將雷射光束強度分佈和形狀改變為更適合應用要求的分佈的過程。這通常是透過使用雷射光束整形器來完成的，雷射光束整形器是一種操縱光束的衍射或折射組件，通常放置在系統聚焦透鏡之前。雷射光束整形器屬於兩個主要係列：相位隨機化光束整形擴散器（最適合多模整形）和輸入相關的平頂光束整形器（適用於單模輸入）。在本文中，我們將重點放在依賴輸入的平頂光束整形器，並比較兩種實現平頂的方法：使用單一光學元件與使用多元件系統。
光束整形器品質參數
平頂光束整形器可以塑造平坦的頂部輪廓，而不會擾亂相位並產生內部散斑。因此，這種整形可以實現具有良好均勻性和銳利邊緣的平頂光斑或光束，但對輸入雷射參數敏感，例如光束直徑、雷射質量（M2）和用於將光束聚焦到工作平面的透鏡系統。
平頂光束的品質可以用幾個參數來表徵：
■ 效率 - 輸入雷射能量的哪一部分位於形狀內，通常定義為平頂能階的 exp-2。無論整形方法為何，大多數光束整形器的效率超過 90%。
■ 轉移區域/邊緣寬度-強度從平坦水平下降到零的區域稱為轉移區域或形狀的邊緣。它以焦平面角度整形的 mrad 或 µm 為單位定義，是光束整形器設計和系統參數的函數。
■ 均勻性－雖然設計為平坦的，但成形光束在平頂能階上始終存在一些變化，其特徵為峰到谷或峰到平均值。儘管光束整形器的生產公差確實發揮了作用，但這些變化主要是系統參數的函數。
所有平頂品質參數均源自單一系統參數，無論採用何種特定光束整形方法來獲得平頂。這個參數就是繞射極限發散度，在聚焦系統中稱為「繞射極限光斑尺寸」 。具有一定直徑和波長的單模 TEM00 高斯光束即使在光束完全準直的情況下也具有因衍射而產生的自然發散角。這種發散度和聚焦系統的 EFL 共同決定光束聚焦時的光斑尺寸，稱為衍射極限光斑尺寸 (DL)。
因此，基礎物理學對光束整形施加了限制——不可能將光束整形為小於 DL 的形狀。這就是為什麼DL是光束整形的基本尺度單位。高頂帽子尺寸與DL的比例決定了塑形的品質。即平頂點如何「平頂」。平頂形狀中的 DL 越多，平頂品質越好。因此，不同整形方法之間的任何比較都必須針對具有相同DL值的光學系統進行。即相同的波長、數值孔徑和雷射質量。
單元件光束整形器
最常用的光束整形器類型之一是單元件光束整形器。這些是自由曲面光學元件，可在輸入雷射光束上創建預先設計的相前，從而在遠場產生均勻的強度分佈。 DOE 和折射自由形式（ROE，Holo/Or 稱為 PT）都可以用作單元件光束整形器，主要區別在於製造公差和對波長敏感度的影響。對於大多數情況，DOE 在成形到少量衍射極限（x、y 中 <15DL）時是最佳的，因為 DOE 光刻生產方法的高精度使它們能夠實現良好的成形品質。 ROE 對於形狀較大 (>15 DL) 或多色照明（多個雷射）的情況較好，因為在這種情況下，自由形狀加工中的表面誤差對成形的影響較弱。所有單元件光束整形器類型通常在透鏡系統的腰部（焦平面）運行。典型的設置包括：雷射光束進入用於調節直徑的可變擴束器，然後是光束整形器和聚焦透鏡。這種簡單的設置使得單元件光束整形器特別適合整合到工業雷射系統中。
多元件光束整形器
單元件光束整形器在焦點或遠處產生平頂強度圖案，但該平面處的相位前緣並不是平坦的。平坦的相位和平坦的強度對於某些散焦行為必須圍繞腰部對稱的應用非常重要。透過使用多個元件，可以對相位和強度進行高級操作，包括產生具有平坦相位輪廓的平頂光束。最簡單的此類配置就是所謂的“準直平頂光束”，它是一個雙元件系統：第一個焦點光束整形器元件在某個平面上創建平頂光束，其中放置了第二個相位元件。第二個元件使相位平坦，產生具有平頂強度圖案的準直光束。這些光束可用於透明介質中的體雷射感測或其他特殊應用，因為它們在超過平頂光束尺寸 X100 倍的距離（即，對於 6 毫米平頂頂光束，准直範圍>600mm 是合理的）。然而，它們通常不適用於大多數工業光束整形應用，因為它們不能直接聚焦到一個小的平頂光點。為了獲得小光斑，此類光束必須以大比例（通常為 1:10-1:30）成像，這需要難以調整的長光路。 例如，對於典型的 F-Theta EFL=100mm，這樣的光學系統的光路將大於 3m。存在更複雜的多表面配置，但通常對於整形任務沒有優勢，例如將 TEM00 高斯光束整形為任何給定形狀或尺寸的平頂光束。通常，用於光束整形的表面越多，成本就越高，且光束的損耗、散射和像差也越多。
概括
雷射光束整形對於許多雷射應用來說是一項非常有用的技術。所有光束整形器的基本單位是衍射極限光斑尺寸——這決定了整形質量，無論使用何種方法進行整形。單元件光束整形器對於在工作表面創建平頂光點非常有用，易於整合並能夠與系統聚焦光學元件配合使用。大多數工業應用很少需要多元件光束整形器，因為它們產生的平頂光束不能直接聚焦而必須成像，並且與單個元件相比，多個元件會增加成本並降低性能。