大多数激光束都是高斯光束，尽管在某些情况下，具有非高斯辐照度分布是有益的。随着离激光束横截面中心的距离增加，高斯光束的对称辐照度分布减小。平顶光束通过激光束的横截面具有恒定的辐照度分布（图1）。一些应用受益于给定区域的恒定强度，包括半导体晶片的处理、高功率水平下的非线性频率转换和材料处理。与高斯光束相比，平顶光束通常会产生更准确和可预测的结果，如更清晰的切割和更锋利的边缘，但它们会带来额外的系统复杂性和成本。

图1：高斯光束通过高于应用所需阈值的多余能量和高斯光束外部低于阈值的能量浪费能量。平顶光束的效率更高，因为它们超过了阈值，同时最大限度地减少了浪费的能量

高斯光束

高质量的单模激光器产生低阶高斯辐照度分布，即TEM00模式。与平顶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顶激光束的两倍（图2）。高斯光束在变换下保持不变；因此，当光束在系统中传播时，即使光束大小发生变化，光束轮廓仍然是高斯的。这是因为高斯函数的傅立叶变换是另一个高斯函数。光通过无限远的传播或通过完美的透镜聚焦来进行傅立叶变换。

图2：高斯光束和平顶光束在相同的光功率下，显示高斯光束的峰值强度是平顶光束的两倍

高斯激光器比其他激光器更常见，也更具成本效益，但它们有几个缺点，例如它们的“侧翼”或从光束的可用中心部分延伸出来的低强度区域。如果高斯光束的翼的强度低于应用所需的阈值，则通常会导致能量浪费（图1）。它们还可能对周围区域造成损害，并扩大热影响区，这在激光手术和精确材料加工等应用中是有害的。由于高斯光束的热影响区延长，使用高斯光束切割或塑造精细特征的精度将低于平顶光束，使平顶光束成为此类应用的更好选择。

平顶光束

评估实际光束与理想平顶光束的接近程度的一种方法是通过平面度因子（Fη）。这是通过将平均辐照度值除以ISO 13694中所述的最大辐照度值来确定的。

平顶光束中没有侧翼和更陡的边缘过渡，可以更有效地输送能量，并形成更小的热影响区。这在广泛的应用中是有益的，在这些应用中，优先考虑高精度和最大限度地减少对周围区域的损害。在计量应用中，如激光诱导损伤阈值（LIDT）测试，平顶光束的均匀和明确轮廓降低了测量不确定性和统计方差。平顶光束提供的均匀照明也有利于广泛的应用，如荧光显微镜、全息术和干涉测量。

平顶光束不如高斯光束具有成本效益，因为需要额外的光束整形组件将激光器的输出转换为平顶光束（图3）。该光束成形组件可以内置在激光源中或放置在激光器外部。这些附加的光束成形组件对x-y对准敏感并且取决于输入光束直径。平顶激光束在变换下也不保持恒定；因此，入射平顶光束的光束轮廓在光束传播时不会自然保留。平顶函数的傅立叶变换是一个艾里斑函数，这意味着平顶光束最终会演变成艾里斑。

图3：光束轮廓在高斯分布和平顶分布之间转换的动画

如何实现平顶光束

在一些低成本和低性能的系统中，高斯光束使用孔径进行物理截断，以创建伪平顶。这浪费了高斯侧翼的能量，但当成本是一个驱动因素时，这可能是有效的。对于需要更高性能和高效使用昂贵激光能量的应用，光束整形光学器件用于将高斯光束轮廓转换为平顶光束轮廓。折射光束整形器允许强度分布的均匀性和平坦的相位前沿。折射平顶光束整形器可产生准直平顶光束，其效率接近100%，无内部聚焦，允许高功率输入光束（图4和图5）。他们的光学设计使全息术、显微镜和系统集成变得合适，尤其是在远距离。

图4：使用平顶光束整形器将入射高斯光束折射整形为平顶轮廓

图5：输入高斯光束（左）和输出平顶光束离开整形器平顶光束整形器（右）的实验强度分布

另一种类型的光束整形器能将输入的高斯光束转换为准直的艾里斑轮廓。通过衍射限制透镜聚焦后，这形成了一个平顶焦斑（图6）。这些组件的紧凑设计和线程化使它们易于集成到各种系统中。它们还具有接近100%的效率，适用于在聚焦点处需要平顶轮廓的应用，如光刻、微机械加工和微焊接。

图6:平顶光束整形器将输入的高斯光束轮廓转换为艾里斑轮廓，使其在通过聚焦光学器件后成为平顶光束轮廓

除了折射光束整形器，其他类型还包括反射、全息和衍射设计。

References:

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转自：光子位

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