據(jù)悉，在利用先進的高功率激光器加工工業(yè)材料的過程中，光束整形光學技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)。
在利用先進的高功率激光器加工工業(yè)材料的過程中，光束整形光學技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)。非球面或衍射光束整形器將單模（TEM00）激光束的高斯光強分布轉(zhuǎn)換為平頂光束。雖然非球面光束整形器可以制作圓形平頂，但衍射光束整形器可以在輸出光束形狀上實現(xiàn)很大的靈活性。光束整形通常與掃描光學系統(tǒng)相結(jié)合，掃描光學系統(tǒng)由振鏡和f-θ透鏡組成。這些光束整形器用于脈沖或連續(xù)單模激光應用，即薄膜或塊體材料的燒蝕、切割、鉆孔、劃線、退火等。本文介紹了實際應用中使用的光學系統(tǒng)的原理、設(shè)計概念和規(guī)格示例。
在激光材料加工的最新創(chuàng)新中，光學與激光振蕩器一樣發(fā)揮著重要作用。非球面透鏡和衍射光學元件（DOE）就是這種先進光學的典型例子。非球面像差校正已經(jīng)成為獲得激光束衍射極限光斑尺寸的標準方法。平頂光束產(chǎn)生是非球面光學和差分光學的高級應用。這些光學元件將高斯光束轉(zhuǎn)換為圓形、矩形或其他各種形狀的均勻強度分布。這種光學功能也被稱為光束整形，這意味著在更廣泛的意義上，強度分布的產(chǎn)生和控制，包括向非均勻光束而非平頂光束的轉(zhuǎn)換，或從非高斯光束的轉(zhuǎn)換。用于這些目的的光學元件是“光束整形器”。
用光束整形器生成平頂光束
光束整形有幾種光學技術(shù)。單模激光器最常用的一種是“幾何光束重映射”，其中光束整形器的功能是通過局部發(fā)散或會聚入射高斯光束的光束部分來重塑輸出光束輪廓。如圖1所示，具有較高強度的中心部分發(fā)散，而較低強度的外部部分會聚。基于這種想法，光束被分割成更小的部分，并在焦平面上無縫地重新映射，以使輸出強度更平坦。非常重要的是，在光束整形器和焦平面之間沒有光束部分（或部分）相互交叉，這意味著它們永遠不會疊加在焦平面上。
圖1光強分布的重映射原理。
非球面光束整形器可以在沒有任何衍射損失的情況下產(chǎn)生圓形平頂。衍射光束整形器比非球面光束整形器能產(chǎn)生各種各樣的光束形狀。然而，由于衍射損耗，衍射效率通常為80%至95%。圖2顯示了一個非球面光束整形器的示例，該整形器從直徑為10 mm 1/e2的單模綠光激光器中產(chǎn)生一個直徑為65μm 1/e2的小平頂光斑，其中心長度為200mm。通過光線跟蹤優(yōu)化整形器的旋轉(zhuǎn)對稱非球面，以滿足這些要求。圖1中的重映射原理表明，輸入光束的大小、輪廓或偏心的任何變化都不再保持輸出光束均勻分布的平衡。當輸入光束尺寸的規(guī)格發(fā)生變化時，應相應地再次優(yōu)化和修改非球面設(shè)計。圖3顯示了用于單模綠光激光器的衍射光束整形器（一種DOS）的兩個示例，其分別產(chǎn)生（a）1.0 mm×0.5 mm矩形和（b）4 mm長的線性平頂光束。矩形梁在水平軸和垂直軸上具有平頂輪廓。在這種情況下，線光束在短軸上具有0.1毫米1/e2寬度的高斯強度分布。
圖2單元件非球面光束整形器。
圖3衍射光束整形器(DOE)。
衍射整形器的表面有一個表面浮雕微結(jié)構(gòu)，由多層橫截面和馬賽克狀的復雜橫向圖案組成。這種結(jié)構(gòu)相當于元件的相位分布，它調(diào)制入射光束的波前，以重新映射光束和非球面整形器的強度分布。為了提高平頂?shù)木鶆蛐?，減少平頂光斑周圍的衍射損耗和噪聲強度，使用迭代算法優(yōu)化相位分布。
如圖2所示，光束在傳播過程中改變其強度分布，并且在光束整形器的焦點（Z=0）處具有平頂分布。在焦點（Z<0）之前，光束更大，頂部輪廓更圓。聚焦（Z>0）后，光束變小，形成更環(huán)形的光斑。光束的進一步傳播使環(huán)形光斑變小，最終集中到中心光斑，在光束傳播過程中，中心光斑的峰值強度最大。需要注意的是，這些強度變化出現(xiàn)在所有光束映射型光束整形器中，包括非球面和衍射面，因為盡管有平頂產(chǎn)生的作用，但由非球面或衍射面引起的波前調(diào)制對應于各種波前誤差(像差)。
為了減少光束傳輸過程中平頂輪廓的退化，平頂光束的波前誤差應通過光束整形器的第二個元件進行校正。圖4顯示了輸出“準直”（平波前）平頂光束的兩元件型光束整形器的示例。在該圖中，第一個非球面元件（#1）在焦點位置將CO2激光器的高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束。放置在焦點位置的第二個元件（#2）通過平展波前（校正像差）來準直平頂光束。因此，如圖4所示，準直平頂光束可以以較小的強度變化傳播很長的距離。
圖4雙單元非球面光束整形器。
光束整形掃描
使用X-Y振鏡和f-θ透鏡進行光束掃描在廣泛的工業(yè)應用中變得越來越重要，如電子或其他工業(yè)中的激光鉆孔、焊接、劃線、標記和退火。波束成形通常與波束掃描系統(tǒng)相結(jié)合，如圖5所示。上述雙元件光束整形器可用于在光學掩模上照射準直平頂光束。光束整形器前面的變焦擴展器可以輕松調(diào)整輸入光束的直徑和發(fā)散度。輸出光束被掩模切斷，然后由遠心f-θ透鏡在工件上成像，其尺寸在預定放大率下減小。遠心f-θ透鏡的設(shè)計具有像側(cè)遠心，即每束光束幾乎垂直于整個掃描場照射工作表面。盡管非遠心透鏡通常具有更大的掃描場，但這種類型的透鏡是首選的高性能精密加工透鏡之一。由于整形器的輸出光束是平頂?shù)模赃m應掩模的孔徑形狀，因此減少了激光束的截止損耗，并相應地提高了能量利用效率。在另一方面，具有平坦強度的圖像光斑可以減少工件損傷。因為高斯分布的中心峰值強度有時會在刻劃薄膜層時損壞工作基板。
圖5帶光束整形的掩模成像光束掃描系統(tǒng)。
圖6帶光束整形的無掩模光束掃描系統(tǒng)。
當需要工件上成像點的形狀精度或邊緣銳度時，上述掩模成像型光束掃描最合適。然而，光學系統(tǒng)變得更加復雜，如果需要較小的光斑尺寸，它的放大率非常小，以至于掩模和工件之間有很長的距離。因此，機器占地面積必須很大。無掩模（聚焦型）掃描系統(tǒng)可以與光束整形一起使用，而不是掩模成像。圖6示出了無掩模光學配置的示例，其比掩模成像配置更簡單和更短。在這種情況下，我們可以應用非聚焦光束整形單元，或長焦深光束整形器。前者類似于上述波束重映射類型，其可以生成圖前者類似于上述的映射類型，可以生成圖2、圖3、圖7a-d所示中所示的各種波束形狀。后者具有較長的聚焦深度，這意味著強度剖面的變化小于重映射類型。無論是前者還是后者，光束整形器本身都沒有任何焦點。無論選擇哪種類型的光束整形，整形器的輸出光束都不是收斂的，也不是平頂?shù)?。直到光束在f-θ透鏡后會聚，一個成形的光斑才準確地出現(xiàn)在透鏡的焦平面上。光束整形器和f-θ透鏡之間的距離是可變的。
圖7從a) - d)幾何光束映射整形器或e) - h)長焦深光束整形器輸出光束的測量強度分布圖示例。
長焦深光束整形器是一種衍射光學器件，其工作方式與幾何光束重映射光學器件不同。它將輸入光束分為+1階（略微收斂）和-1階（略微雙聚）光束。兩個相反或相反的光束仍在同一光軸上，由f-θ透鏡會聚并疊加在焦點上。由于兩個相干光束之間的光干涉，在那里出現(xiàn)了平頂光強分布。光斑形狀原則上是圓形或方形（圖7e–g），但當增加入射光束尺寸時，平頂光束會變?yōu)榄h(huán)形光束（圖7h）。雖然邊緣輪廓的輪廓不像光束重映射得到的輪廓那么銳利，但可以實現(xiàn)更小的光斑尺寸和更長的聚焦深度。
光斑大約是衍射極限的1.5倍，這很難通過重新映射獲得。長焦距是光束整形器的一個顯著特點。如圖8所示，光束傳播期間的強度變化小于圖2所示的重映射整形器的強度變化。隨著離焦，具有均勻強度的頂部區(qū)域慢慢消失，峰值強度逐漸增加，在這種情況下，在±1.6 mm離焦位置，峰值強度高達平頂?shù)?.7倍。這意味著聚焦深度是衍射受限光束瑞利長度的1.5倍以上。
圖8 532 nm單模激光長焦深光束整形器的強度變化。
應該注意的是，光束整形器對輸入光束特性的變化非常敏感。入射光束的條件直接影響平頂光強分布，因為光束整形的設(shè)計原則基本上是入射光強分布的重新映射，如圖1所示。一旦入射光束偏離所需的位置、大小或高斯強度分布，平頂光束的均勻性就會降低。因此，注意激光模式質(zhì)量（M2）和光束參數(shù)的調(diào)整至關(guān)重要。還應檢查在光束傳輸過程中是否出現(xiàn)光束漸暈或光學表面變形。對于光束整形，凈孔徑必須是1/e2光束直徑的兩倍。
結(jié)論
對于寬波長范圍的激光器，可以實現(xiàn)高斯光束到平頂光束的轉(zhuǎn)換。幾何光束重映射方法通過使用非球面或衍射光束整形器實現(xiàn)平頂光束的各種光束形狀。掩模成像光束掃描與二元光束整形器相結(jié)合，輸出一束平行平頂光束照射孔徑掩模。在更緊湊的無掩模光束掃描系統(tǒng)的情況下，可以添加非聚焦光束整形單元或長焦深光束整形器，以輕松地將高斯光斑轉(zhuǎn)換為平坦光斑。這些光束整形和掃描技術(shù)可廣泛應用于激光材料加工領(lǐng)域，有望為未來技術(shù)的發(fā)展做出貢獻。
來源：Laser Technik Journal - 2015 - Fuse - Beam Shaping for Advanced Laser Materials Processing，DOI: 10.1002/latj.201500011
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