文/Cory Boone，Kristina Kaszei

圖1：實驗測得的高斯光束（左）和平頂光束（右）的強度分布圖。[1]

大多數(shù)激光束具有高斯強度分布，然而，在某些應用中，使用非高斯光束可能更有益。高斯光束的強度分布橫截面，會隨著與中心距離的增加而對稱地減小。相比之下，平頂光束在橫截面上保持恒定的強度分布，從而在加工時能夠在靶材上實現(xiàn)一致的輻照強度（見圖1）。因此，在半導體晶圓加工、其他材料加工及大功率激光的非線性頻率轉換等應用中，可獲得更精確、更可預測的結果。

與高斯光束相比，平頂光束可以產生更干凈的切口和更銳利的邊緣，但產生平頂光束會增加額外的系統(tǒng)成本和復雜性。了解平頂光束的優(yōu)點及產生平頂光束的不同方法，有助于激光系統(tǒng)集成商根據其應用種類，選擇合適類型的激光光束。

高斯光束的特性

與其他光束類型的激光源相比，高斯激光更為常見，成本效益也更高。大多數(shù)高質量的單模激光器，發(fā)出的光束都遵循低階高斯輻照度曲線，這也被稱為 TEM00模式。質量較差的光源也會有一定程度的其他激光模式存在，但通常會假定激光具有理想的高斯輪廓，以簡化系統(tǒng)建模。

如果高斯光束和平頂光束具有相同的平均光功率，則高斯光束的峰值輻照度將是平頂光束的兩倍。高斯光束在光學系統(tǒng)中傳播時，即使峰值強度或光束尺寸發(fā)生變化，它也會保持高斯輻照度曲線分布。這意味著高斯光束在傳播過程中保持不變。

高斯光束有什么問題？

高斯光束也有其缺點，在應用中，通常采用的是光束中心區(qū)域高強度部分，而兩側的低強度部分（即所謂的“翼”）往往就被浪費了，因為無論是材料加工、激光手術，還是其他應用，都需要激光強度高于應用所需的閾值（見圖 2）。

此外，高斯光束的兩翼也可能損傷目標區(qū)以外的區(qū)域，從而擴大熱影響區(qū)。這對激光手術和精密材料加工等是不利的，因為這些應用優(yōu)先考慮的是高精度和最小的熱影響區(qū)。因此，高斯光束加工材料不會有特別光滑的邊緣，從而降低了系統(tǒng)的精度。

為什么使用平頂光束？

與高斯光束相比，平頂光束剖面沒有翼形部分，邊緣過渡更陡，因此強度傳輸效率更高，熱影響區(qū)更小。[2] 使用平頂光束進行蝕刻、焊接或切割都會更加精確，對周圍區(qū)域的損傷也會更小。

圖2：在眾多應用中，平頂光束比高斯光束的能量利用率更高。對于高斯光束，高于應用閾值的多余能量和低于閾值的光束邊緣（或翼形區(qū)域）的能量，都被浪費了。

平頂光束的這一主要優(yōu)勢使其適用于多種不同情況。在激光誘導損傷閾值（LIDT）測試和其他計量系統(tǒng)中，平頂光束均勻的強度分布可以最大限度地減少測量不確定性和統(tǒng)計方差。平頂光束在熒光顯微、全息術和干涉測量系統(tǒng)中也很有優(yōu)勢。[3]

評估實際激光光束是否接近完美平頂光束的一種方法，是分析其平整度系數(shù) (Fη)，其計算方法是用平均輻照度值除以光束的最大輻照度值，如 ISO 13694 標準所述。[2]

平頂光束的缺點是什么？

平頂光束并非適用于所有應用場景。它不像高斯光束那樣具有成本效益，因為需要額外的光束整形組件，才能將高斯光束整形為平頂光束。該組件既可以直接內置在激光源中，也可以在激光器之外的系統(tǒng)中使用。這些光束整形組件取決于輸入光束的尺寸，并對 X-Y 平面對準比較敏感。此外，與高斯光束不同，平頂光束在傳播過程中不會保持不變。這意味著入射的平頂光束在系統(tǒng)中傳輸時不會保持平頂形狀，最終會演變?yōu)轭愃朴诎�里斑分布�?/span>

如何實現(xiàn)平頂光束？

如果需要平頂光束，但是系統(tǒng)成本非常有限且性能不需要非常高時，可以使用小孔對高斯光束進行物理截斷，以形成偽平頂輪廓。這種方法切斷并浪費了高斯光束兩翼的能量，并不會使光束的中心強度分布變均勻。如果維持低成本是一個主要因素，這種方法可能會很有用。

而對于需要高效利用激光能量的高性能系統(tǒng)，可以采用光束整形組件將高斯光束整形為平頂光束。光束整形組件有多種不同類型，包括折射、反射、全息和衍射器件。折射型光束整形器件使用場映射非球面或自由曲面透鏡和其他折射組件來調控光束的相位（見圖 3）。其優(yōu)點是強度分布均勻，相位前沿平坦。入射光束的振幅和相位，通過伽利略透鏡或開普勒透鏡組件中的光學元件進行調控。這一過程通常效率很高（大于96%），并且在器件設計范圍內與波長無關。折射型光束整形器產生的準直平頂光束，特別適用于長距離工作的應用，如全息成像和顯微系統(tǒng)。

圖3：基于波前畸變和能量守恒條件等工作原理，利用Edmund Optics的AdlOptics的AdlOptica πShaper平頂光束整形器，將高斯光束整形為平頂光束。[1]

其他類型的折射型光束整形器，將高斯光束整形為準直的艾里斑。這樣做的好處在于，艾里斑通過衍射極限透鏡組聚焦后，會形成具有平頂輪廓的聚焦點（見圖 4）。在微加工、光刻和微焊接等許多應用中，聚焦點都需要平頂輪廓。[4,5]

圖 4：折射型光束整形器，如 AdlOptica Focal-πShaper Q 平頂光束整形器，可將高斯光束整形為艾里斑，以便在聚焦點形成平頂輪廓。

另一方面，衍射型光束整形器利用衍射而不是折射，來改變入射激光束的強度分布。利用蝕刻工藝在基板上制備特定的微納米結構，從而形成衍射元件。衍射元件的效果和波長范圍通常取決于結構的高度和區(qū)域間距。因此，衍射光學元件必須在設計波長范圍內使用，以免出現(xiàn)性能誤差。

與折射型光束整形器相比，衍射型光束整形器對發(fā)散角、對準和光束位置更敏感。不過，衍射型光束整形器在空間受限的激光系統(tǒng)中有其特殊優(yōu)勢，因為其通常由單個衍射元件取代多個折射透鏡，既能形成平頂光束，也能形成艾里斑。

激光光束積分器或均質器，是另一種類型的光束整形組件。它們由小透鏡陣列組成，將入射光分離成更小的光束。然后，聚焦透鏡將小光束疊加到目標平面上。最終輸出光束是陣列中每個小透鏡產生的衍射圖樣的總和。它們可以將入射的高斯光束整形為均勻的平頂輪廓。然而，這些系統(tǒng)經常會遇到隨機輻照度波動，導致輸出的光束輪廓并非完全強度均勻。表1將各種光束整形器進行了對比。

表1：幾種典型的光束整形技術對比

平頂光束適用于各種激光系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，精度和效率比成本更重要。目前市場上有折射型、衍射型和其他類型的光束整形器，激光系統(tǒng)集成商在選擇光束整形器時有多種選擇。表1提供了一些有用的經驗法則，但如果想充分利用激光系統(tǒng)，還需要聯(lián)系光學元件供應商，以獲得更多關于選擇最佳光束整形器件的專業(yè)指導。

參考文獻

1. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9887, 98872E (Apr. 27, 2016); doi:10.1117/12.2217927.

2. See iso.org/standard/72945.html.

3. M. Eryilmaz et al., Cancers, 10, 1 (Jan. 22, 2018); doi:10.3390/cancers10010025.

4. Y.-J. Hung et al., J. Vac. Sci. Technol., 35, 3 (Apr. 11, 2017); doi:10.1116/1.4980134.

5. A. Laskin et al., Proc. SPIE, 9950, 995002 (Sept. 27, 2016); doi:10.1117/12.2235712.