激光光束整形技术

激光光束整形技术
南开大学
对于光纤、YAG、CO2激光器等，出射的（单模）激光截 面为圆形，光强分布为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.37。 对于半导体、准分子激光器，出射的激光为方形，多模 的方向认为光强分布均匀，垂直的单模方向的光强分布 为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.48。
对于激光清洗，以及其它的激光与物质相互作用过程，激光能 量的均匀化对于提高光源的使用效率是必不可少的。 低于清洗阈值的光照射部分是不能产生清洗效果的，而高于清 洗阈值的部分，只会产生多余的热，甚至超过损伤阈值，造成 基底的破坏。 另外，将入射激光光束整形为线状的均匀光束可以进一步提高 激光清洗的工作效率。
第二种field mappers，基于傅里叶变换光学，使用惠更斯菲涅耳衍射积分公式计算，入射光束的光场分布已知，出射 光束的光场分布按要求给定，可得所要求的光束整形器件的 透过率函数。 这一透过率函数，可以使用计算机数值模拟得到，进一步可 以得到光束整形器件的构成。
对于基模高斯光束可选择一整形 器件使得边缘处的光束弯曲，从 而得到较均匀的输出光。
这种方式可以做到没有能量的 损失。
第三种multi-aperture beam integrator， 整形装置由微透镜阵列和一个普通透镜 组成，微透镜阵列将入射光场分割为若 干子束，这些子束在经过普通透镜汇聚 后，在所需位置处再叠加起来，从而得 到均匀光束。
这种整形方式比较适用于空间相干性比较差 的多模激光，同样可以做到能量没有损失。
还有其它的一些方式可以做到 均匀出射，比如双折射透镜组， 双透镜+柱镜等。
Field mappers
考虑入射高斯光束为TEM00模，光强空间分布为
出射光束为平定光，有三种选择方式： 费米狄拉克函数： 超高斯函数： 平坦高斯函数：
上面三个函数取合适的 参数时都是阶跃函数的 很好的近似。
选定适当的参数，确定了出射光束的光强分布之后，通 过计算机数值模拟可以得到中间的光强透过率函数，进 而确定所需要的光学元件。 这里选择双透镜实现这一功能。
对于满足下面条件的情况，光束传播过程中的衍射效应 可以忽略，这时可以使用几何光学进行器件的设计。
需要说明的是这里的β与费米狄拉克函数中的参数是不同 的物理量，这里仍然这么写的缘故是与Fred M.Dickey最 初的定义保持一致。 D是平定光束的宽度，f是所选择透镜的焦距，λ是激光束 的波长。
透镜的两个面一个是平面，另一个是非球面。对于双透镜 有两种组合方式：伽利略式和开普勒式。 第一个非球面将光线进行重新分布， 第二个非球面将光线进行准直。
能量守恒有：
有一组满足上式的解，形式为： 其中d是两镜之间的距离， n是镜子的折射率， 是光迹函数。 正号代表伽利略式，负 号代表开普勒式。
上面的光束整形，主要是光强分布的变化，对于光斑形 状的变换相对简单。 对于我们扫描所需要的线状光束，可以通过使用两个柱 面镜实现：
如果要得到光强均匀分布的线状光束，需要使用非球面柱 面镜来实现，这需要将前面光强分布变换和光斑形状变换 两部分结合起来，具体解法需要时间看懂光束整形里的数 学。 光束整形器目前市场上已经有产品出售，是进口的，在 中国有代理，价格大约是3000欧元。
激光பைடு நூலகம்束整形技术一般可以分为三种：apertured beams， field mappers，multi-aperture beam integrator。
第一种apertured beams，结构简 单，首先将激光进行扩束，然后 选择合适的光阑就能得到较均匀 的出射激光，但同时损失了部分 的激光能量。
这是stocker yale出产的平顶 光整形器。