大多數(shù)激光束都是高斯光束，盡管在某些情況下，具有非高斯輻照度分布是有益的。隨著離激光束橫截面中心的距離增加，高斯光束的對稱輻照度分布減小。平頂光束通過激光束的橫截面具有恒定的輻照度分布（圖1）。一些應用受益于給定區(qū)域的恒定強度，包括半導體晶片的處理、高功率水平下的非線性頻率轉換和材料處理。與高斯光束相比，平頂光束通常會產生更準確和可預測的結果，如更清晰的切割和更鋒利的邊緣，但它們會帶來額外的系統(tǒng)復雜性和成本。

圖1：高斯光束通過高于應用所需閾值的多余能量和高斯光束外部低于閾值的能量浪費能量。平頂光束的效率更高，因為它們超過了閾值，同時最大限度地減少了浪費的能量

高斯光束

高質量的單模激光器產生低階高斯輻照度分布，即TEM00模式。與平頂激光束具有相同平均光功率的高斯激光束的峰值通量是平頂激光束的兩倍（圖2）。高斯光束在變換下保持不變；因此，當光束在系統(tǒng)中傳播時，即使光束大小發(fā)生變化，光束輪廓仍然是高斯的。這是因為高斯函數(shù)的傅立葉變換是另一個高斯函數(shù)。光通過無限遠的傳播或通過完美的透鏡聚焦來進行傅立葉變換。

圖2：高斯光束和平頂光束在相同的光功率下，顯示高斯光束的峰值強度是平頂光束的兩倍

高斯激光器比其他激光器更常見，也更具成本效益，但它們有幾個缺點，例如它們的“側翼”或從光束的可用中心部分延伸出來的低強度區(qū)域。如果高斯光束的翼的強度低于應用所需的閾值，則通常會導致能量浪費（圖1）。它們還可能對周圍區(qū)域造成損害，并擴大熱影響區(qū)，這在激光手術和精確材料加工等應用中是有害的。由于高斯光束的熱影響區(qū)延長，使用高斯光束切割或塑造精細特征的精度將低于平頂光束，使平頂光束成為此類應用的更好選擇。

平頂光束

評估實際光束與理想平頂光束的接近程度的一種方法是通過平面度因子（Fη）。這是通過將平均輻照度值除以ISO 13694中所述的最大輻照度值來確定的。

平頂光束中沒有側翼和更陡的邊緣過渡，可以更有效地輸送能量，并形成更小的熱影響區(qū)。這在廣泛的應用中是有益的，在這些應用中，優(yōu)先考慮高精度和最大限度地減少對周圍區(qū)域的損害。在計量應用中，如激光誘導損傷閾值（LIDT）測試，平頂光束的均勻和明確輪廓降低了測量不確定性和統(tǒng)計方差。平頂光束提供的均勻照明也有利于廣泛的應用，如熒光顯微鏡、全息術和干涉測量。

平頂光束不如高斯光束具有成本效益，因為需要額外的光束整形組件將激光器的輸出轉換為平頂光束（圖3）。該光束成形組件可以內置在激光源中或放置在激光器外部。這些附加的光束成形組件對x-y對準敏感并且取決于輸入光束直徑。平頂激光束在變換下也不保持恒定；因此，入射平頂光束的光束輪廓在光束傳播時不會自然保留。平頂函數(shù)的傅立葉變換是一個艾里斑函數(shù)，這意味著平頂光束最終會演變成艾里斑。

圖3：光束輪廓在高斯分布和平頂分布之間轉換的動畫

如何實現(xiàn)平頂光束

在一些低成本和低性能的系統(tǒng)中，高斯光束使用孔徑進行物理截斷，以創(chuàng)建偽平頂。這浪費了高斯側翼的能量，但當成本是一個驅動因素時，這可能是有效的。對于需要更高性能和高效使用昂貴激光能量的應用，光束整形光學器件用于將高斯光束輪廓轉換為平頂光束輪廓。折射光束整形器允許強度分布的均勻性和平坦的相位前沿。折射平頂光束整形器可產生準直平頂光束，其效率接近100%，無內部聚焦，允許高功率輸入光束（圖4和圖5）。他們的光學設計使全息術、顯微鏡和系統(tǒng)集成變得合適，尤其是在遠距離。

圖4：使用平頂光束整形器將入射高斯光束折射整形為平頂輪廓

圖5：輸入高斯光束（左）和輸出平頂光束離開整形器平頂光束整形器（右）的實驗強度分布

另一種類型的光束整形器能將輸入的高斯光束轉換為準直的艾里斑輪廓。通過衍射限制透鏡聚焦后，這形成了一個平頂焦斑（圖6）。這些組件的緊湊設計和線程化使它們易于集成到各種系統(tǒng)中。它們還具有接近100%的效率，適用于在聚焦點處需要平頂輪廓的應用，如光刻、微機械加工和微焊接。

圖6:平頂光束整形器將輸入的高斯光束輪廓轉換為艾里斑輪廓，使其在通過聚焦光學器件后成為平頂光束輪廓

除了折射光束整形器，其他類型還包括反射、全息和衍射設計。

References:

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轉自：光子位

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