文/ Kristina Kaszei，Cory Boone 

尽管在某些应用中使用非高斯光束会有益，但是大多数激光束却具有高斯辐照度分布。高斯光束的辐照截面随着距中心距离的增加而对称地减小。相比之下，平顶光束（也称为礼帽光束）在光束横截面上保持恒定的辐照度值，从而在整个激光系统的目标上提供一致的强度（见图1）。这在诸如半导体晶圆加工、各种材料加工，以及高功率光束的非线性频率转换等应用中，实现了更准确和可预测的结果。

图1：具有高斯光束轮廓的激光束（左）和具有平顶光束轮廓的激光束（右）的实验辐照度轮廓。

与高斯光束相比，平顶光束可以在处理系统中产生更干净的切口和更锐利的边缘，但是产生平顶光束会增加系统的成本和复杂性。理解平顶光束轮廓的好处，以及产生平顶光束的不同方法，有助于激光系统集成商更好地了解哪种光束轮廓最适合其应用。

高斯光束的特性

高斯激光器比具有其他光束轮廓的激光光源更为常见，并且更具成本效益。大多数高质量的单模激光光源，都遵从低阶高斯辐照度分布（也称为TEM₀₀模式）发射光束。质量较低的光源也将具有某些程度的其他激光模式，但是人们通常假定激光束具有理想的高斯分布，以简化系统建模。

如果高斯光束和平顶光束具有相同的平均光功率，则高斯光束的峰值辐照度将是平顶光束的两倍。当高斯光束通过光学系统传播时，即使峰值或光束尺寸发生变化，也会保持高斯辐照度分布。这意味着高斯光束在变换下保持恒定。

高斯光束有什么问题？

高斯激光轮廓有几个缺点，例如光束可用中心区域任一侧的低强度部分，称为“两翼”。这些两翼通常包含浪费的能量，因为其强度低于给定应用所需的阈值，这些应用包括材料加工、激光手术以及其他一些要求强度超过两翼强度的应用（见图2）。

图2：对于许多应用而言，平顶激光束轮廓比高斯光束轮廓能更有效地利用能量。在高斯光束轮廓中，高于应用要求的强度阈值的过剩能量，和其外部或两翼中低于阈值要求的能量，都被浪费掉了。

高斯光束的两翼也可能损伤目标区域以外的周围区域，从而扩展热影响区。这对于诸如激光手术和精密材料加工这样的应用而言，是非常不利的。在这种情况下，要优先考虑高精度和对周围区域的损伤最小化。由于这种影响，使用高斯光束形成的特征，将不会具有特别平滑的边缘，这显然会降低系统精度。

为什么要使用平顶光束？

与高斯光束相比，平顶光束轮廓中没有两翼，但具有较陡的边缘过渡，因此能量传输效率更高，并且热影响区更小。^[2]

从图2中可以看出，与高斯光束相比，平顶光束的能量能够更清晰地包含在给定区域中。使用平顶光束刻蚀、焊接或切割的任何特征，都将更加准确，并且对周围区域的损伤也会减少。平顶光束的主要优点，使得它们能让各种不同情况下的应用都受益。在激光诱导损伤阈值（LIDT）测试和其他计量系统中，定义良好且一致的平顶光束辐照度轮廓，可以将测量不确定性和统计差异最小化。平顶光束在许多荧光显微、全息和干涉测量系统中，也同样具有应用优势。^[3]

如何评估实际激光束与理想平顶轮廓的接近程度呢？一种方法是分析实际激光束的平坦因子（Fη）。正如ISO 13694中所描述的，该因子是通过将平均辐照度值除以光束的最大辐照度值得出的。^[2]

平顶光束有哪些缺点？

平顶光束并非在所有情况下都是完美或理想的。它们不像高斯激光束那么具有成本效益，因为需要额外的光束整形组件，才能将激光器的高斯输出转换为平顶轮廓。该组件既可以直接内置在激光源中，也可以将它们放置在激光器外部的其他位置。

这些光束整形组件取决于输入光束的尺寸，并且对x-y对准敏感。另外，与高斯光束轮廓不同，平顶激光束轮廓在变换下不会保持恒定。这意味着当光束传播通过系统时，入射的平顶光束轮廓将不会保持平顶形状。平顶光束轮廓最终将演化成类似于艾里斑分布的轮廓。

如何获得平顶光束？

当需要平顶光束轮廓、但系统受成本方面的严格限制、且性能不必非常高时，人们有时会使用孔径将高斯光束物理截断，以形成伪平顶轮廓。这样会切断并浪费高斯光束两翼中的能量，并且不会使光束的中心部分变平。这种方法在保持低成本为主要决定因素的情况下，可能会有用。

对于需要更有效地使用昂贵的激光能量的高性能系统，通常选择光束整形组件将高斯光束转换为平顶光束。有几种不同类型的光束整形组件，包括折射、反射、全息和衍射设计。折射光束整形组件使用场映射非球面透镜或自由曲面透镜，以及其他折射组件来操控光束的相位（见图3）。它们得益于强度和平坦相前分布的均匀性。通过穿过伽利略或开普勒透镜组件中的光学元件，可以操控入射光束的幅值和相位。

图3：使用诸如爱特蒙特光学的AdlOptica πShaper平顶光束整形元件，通过波前畸变和能量守恒条件，将入射高斯光束折射整形为平顶轮廓。

在组件设计的范围内，此过程通常是高效的（效率>96％），并且与波长无关。产生准直平顶光束的折射光束整形器，对于全息和显微系统，特别是长距离工作的系统是有利的。

一些其他类型的折射光束整形器，将输入的高斯光束轮廓转换为准直的艾里斑轮廓。这是有益的，因为在通过衍射极限透镜组件聚焦后，艾里斑轮廓形成了具有平顶轮廓的聚焦点（见图4）。在包括微加工、光刻和微焊接在内的许多应用中，都希望在聚焦点具有平顶轮廓。^[4,5]

另一方面，衍射光束整形器利用衍射而不是折射，来改变入射激光束的辐照度分布。蚀刻工艺在衬底中形成特定的微结构或纳米结构，从而形成衍射元件。元件和波长范围的效果，通常取决于结构的高度和区域间距。

因此，必须在设计波长处使用衍射光学元件，以避免性能误差。衍射光束整形器比折射设计更依赖于发散、对准和光束位置。但是，衍射光束整形器在空间受限的激光系统中特别有利，因为它们通常由单个衍射元件而不是多个折射透镜组成。衍射光束整形器既可以形成平顶光束，也可以形成艾里斑光束轮廓。

激光光束积分器，或者说匀化器，是光束整形组件的另一种类型。它们由多个小透镜阵列或小透镜组成，将入射光束分成较小的光束（或者说细光束）。然后，聚焦组件透镜将细光束叠加在目标平面上。

图4：一些折射光束整形器，例如AdlOptica Focal πShaper Q平顶光束整形器，将入射的高斯光束轮廓转换为艾里斑轮廓，以便在聚焦到一个点后形成平顶轮廓。

最终的输出轮廓通常是阵列中每个小透镜确定的衍射图样的总和。它们可以将入射高斯光束转换为均匀的平顶轮廓。

但是，这些系统通常会经历随机的辐照度波动，从而导致输出光束轮廓不是完美地平坦。表1中给出了不同光束整形技术的比较情况。在一些激光器系统中，精度和效率优先于最小化成本，平顶光束对于这类激光器系统都是有利的。通过当前市场上的折射、衍射和其他光束整形设计，激光器系统集成商在选择光束整形器时，有许多可用的选择。表1中提供了一些有用的经验法则，但在实际应用中，请与您的光学组件供应商联系，以在选择最佳光束整形器以充分利用您的激光系统方面，获得更多指导。

参考文献

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.