激光光束的整形如何将高斯光束转化为平顶光束呢？-德赢Vwin官网网

在1960年5月16日，人类有史以来的第一束激光在美国加利福尼亚州休斯实验室，由科学家梅曼获得了波长为0.6943微米的激光。梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家，其发明的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。

自20世纪60年代问世以来，激光由于其亮度高，单色性好，方向性强的特点，在激光加工、精密测量、光学信息处理和全息术、光通信等领域有广泛的应用。图1所示为应用到激光的系统。

在理想状态下，我们通常将点光源发出的球面波在各个方向上的光强是相等的。但是激光光束截面内的光强分布却是不均匀的，其在光束波面上的振幅呈高斯型函数分布，故又称激光光束为高斯光束。

如图2所示。其中，r=ω以时的光束截面半径作为激光束的名义截面半径。同时，高斯光束具有自聚焦性质，这意味着在传播过程中，光束的横截面尺寸可以自动调整以适应传播距离的变化。这种性质使得高斯光束在一定程度上能够自适应不同的光学系统和光路。

图2 高斯光束特性

从图2中我们得知，高斯光束的任一截面的能量密度都不均匀。光束的强度沿着横截面从中心向外逐渐减小，光束的边缘部分强度较低，而中心部分强度最大。这个特点使得高斯光束在中心区域拥有高光强，但是在成像时，它将显示为光束中心的一个非常明亮的点，离中心越远亮度越低，对于成像物体的成像质量造成很大影响。图3为使用高斯光束对荧光小球的成像效果，像面中心有一块过曝的区域，远离中心，可以看见微弱的荧光小球的像。

图3 高斯光束成像的荧光小球

为了达到匀场化的效果，需要将能量分布从高斯型转化成平顶化。与高斯光束不同，平顶光束能量分布具有明确的尺寸和形状，整个光斑的强度均匀，边缘锋利，光斑区域外没有能量，与高斯光束的连续衰减相反。当看平顶光束强度曲线时，它看起来有点像一顶帽子，因此它的名字叫做平顶光束（Top-hat）。

图4 平顶化光束和高斯光束

当我们使用平顶化光束对荧光小球进行成像时，如图5所示。在平顶化光束的均匀光强范围内，我们可以得到对比度比较高的荧光小球像。

图5 平顶光束成像的荧光小球

平顶化除了在光学成像领域的作用，其在激光加工领域同样有着重要的应用。高斯光束两侧的强度低于激光加工所需的温度阈值，两侧的能量会浪费，导致能量利用率大大降低。两侧的能量也会损伤目标区域以外的周围区域，从而扩展热影响区。同时，中心部分能量过于集中，很容易将光学器件损坏。如图6所示，相较于高斯光束（d = 200 微米）和顶帽光束（d = 62 微米），生成类似的表面形态光强分布使所需的剂量减小了10倍。

图6 平顶光束和高斯光束对激光加工的影响

那么我们如何将高斯光束转化为平顶光束呢？近年来，光束整形主要包括但是不限于以下四类：

第一类是，利用光纤束的灵活排布功能来实现光束整形。优点是方法简单易于实现，缺点是光纤之间耦合效率低，能量损失大。

第二类是，利用衍射光学元件或相位调制器实现光束整形。优点是衍射光学元件易制造，设计自由度高，可实现传统光学器件难以完成的薄波面变换功能。如图7所示

图7 衍射元件整形

第三类是，利用折射或者反射元件对高斯光束的波前进行分割重组。如采用分段棱镜整形，微透镜阵列整形，屋脊棱镜反射镜整形等等。如图8所示。

图8 微透镜阵列整形

第四类是，利用非球面透镜的像差来改变高斯光束的能量分布规律。为了不改变高斯光束的传播方向，非球面透镜一般成对使用。如图9所示。

图9 一对非球面透镜整形

我们使用锐光凯奇的产品运用第一种方法利用光纤来实现高斯光束的平顶化整形，主要通过使用二维俯仰调节架，将经过透镜组耦合的光束以不同的角度入射到多模光纤的入射口位置。

沿着多模光纤传播的光线一般有两种类型，一种是在光纤内壁发射时总会穿过光纤中心轴，另外一种是永远不会穿过中心轴。如果仅有反射会时经光纤中心轴的光线，经多模光纤出射仍是高斯分布的光束。只有改变反射时不经过光纤中心光束的入射角，才能改变两种光线的传播比例，从而达到平顶化的效果。

其在CCD靶面的光场分布如图11所示。由图中的数据可见，虽然在中间区域达到了平顶化的效果，但是在顶端的两侧区域还是存在着较弱的光强分布。出现这个现象的原因可能和所选的多模光纤的NA值过大有关，即便如此我们仍可以选择使用顶端分布均匀的平顶化光束进行成像实验。

图11 平顶化光束

审核编辑：刘清

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

激光器

激光器

+关注

关注
17

文章
2514

浏览量
60331
光通信

光通信

+关注

关注
19

文章
876

浏览量
33963

原文标题：激光光束的整形

文章出处：【微信号：bdtdsj，微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

红外光束烟雾探测器

光束烟感电子软件设计反射光束感烟探测器，内置激光指针和数字指南，设计成人性化的认准方法。内置微处理器，可自我诊断和监视内部故障。支持安装距离：8~160米。

发表于 12-16 18:12

反射光束整形系统

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形简述案例系统详情 光源 -强象散VIS激光二极管 元件 -

发表于 12-12 10:38

空间光调制器自适应激光光束整形

调制器(SLM)在控制和调制激光方面具有无限的可能： 自适应光学 超分辨显微镜 光镊 激光材料处理 量子光学 SLM光束整形: 将

发表于 12-12 10:33

VirtualLab Fusion应用：Ince-Gaussian光束产生涡旋阵列激光束的观测

件中，按照Chu等人[Opt.Express 16，19934-19949（2008）]的步骤，使用Dove棱镜嵌入非平衡马赫-曾德尔干涉仪来模拟基于Ince-Gaussian模式的涡旋阵列激光束

发表于 12-09 13:00

12光束红外光栅+分线主机系统触发报警演示

光束

SASDSAS
发布于 :2024年10月22日 22:44:14

线型光束感烟火灾探测器工作原理是什么

来探测火灾。当火灾发生时，烟雾颗粒会进入探测器的监测区域，对光束产生散射和吸收，导致光束的强度发生变化。这种变化被探测器接收并转化为电信号，进一步由控制器处理和分析，最终判断是否发生火灾并发出报警信号。具体工作

发表于 09-25 15:31 •1060次阅读

线型光束感烟火灾探测器分为几种

线型光束感烟火灾探测器主要分为两种类型，这两种类型主要是基于其使用的光源不同而区分的： 激光光束线型感烟火灾探测器：这类探测器采用激光作为光束源，通过

发表于 09-25 15:25 •2099次阅读

使用液晶空间光调制器产生高阶拉盖尔高斯光束

激光的模式在量子光学中有非常重要的作用，最常见的模式主要有：厄米高斯(Hermite-Gaussian ,HG)模式和拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian ,LG)模式。与HG模式相比

发表于 09-02 08:46 •658次阅读

使用液晶空间光调制器（SLM）提高激光近场光束质量

自适应空间光束整形是利用可编程液晶空间光调制器(SLM)提高激光近场光束质量的有效方法。液晶空间光调制器是一种具有高对比度和高分辨率的有源可编程空间光调制器，在

发表于 08-30 06:21 •369次阅读

高质量激光光束光学系统中的空间滤波

的设计中起着关键作用。得益于VirtualLab Fusion高度可定制的环境，锯齿形光束切趾器可以使用插入式传输函数进行建模。使用空间滤波器“清理”激光光束 在VirtualLab Fusion中对带有针孔的空间滤波系统进行了建模。我们演示了针孔的开口如何影响输出

发表于 08-14 11:54

平顶光束剖面都用在哪些地方?

什么是平顶激光束 平顶激光束是指在某一光束形状中强度剖面均匀的光束，在各边缘处急剧下降。与大

发表于 07-24 17:05 •304次阅读

激光器的光束质量品质因子M2

在激光器的设计和生产过程中，光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。在激光发展过程中，针对不同的应用目的，曾用多种参数来评价光束质量，例如

发表于 07-17 06:36 •407次阅读

什么是高斯光束

图1：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

发表于 04-11 06:32 •1062次阅读

光束整形的常见方法

中，都对激光光束的均匀性有着一定的要求。然而激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，这一特性使其往往不能被直接使用，需要通过光束

发表于 12-29 13:45 •689次阅读

光束整形常见的几种方法

光束整形（Beam Shaping）是一种利用光束控制技术来改变光束的形状和特性的过程。

发表于 12-24 11:38 •1418次阅读