文/Cory Boone，Kristina Kaszei

图1：实验测得的高斯光束（左）和平顶光束（右）的强度分布图。[1]

大多数激光束具有高斯强度分布，然而，在某些应用中，使用非高斯光束可能更有益。高斯光束的强度分布横截面，会随着与中心距离的增加而对称地减小。相比之下，平顶光束在横截面上保持恒定的强度分布，从而在加工时能够在靶材上实现一致的辐照强度（见图1）。因此，在半导体晶圆加工、其他材料加工及大功率激光的非线性频率转换等应用中，可获得更精确、更可预测的结果。

与高斯光束相比，平顶光束可以产生更干净的切口和更锐利的边缘，但产生平顶光束会增加额外的系统成本和复杂性。了解平顶光束的优点及产生平顶光束的不同方法，有助于激光系统集成商根据其应用种类，选择合适类型的激光光束。

高斯光束的特性

与其他光束类型的激光源相比，高斯激光更为常见，成本效益也更高。大多数高质量的单模激光器，发出的光束都遵循低阶高斯辐照度曲线，这也被称为 TEM00模式。质量较差的光源也会有一定程度的其他激光模式存在，但通常会假定激光具有理想的高斯轮廓，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。高斯光束在光学系统中传播时，即使峰值强度或光束尺寸发生变化，它也会保持高斯辐照度曲线分布。这意味着高斯光束在传播过程中保持不变。

高斯光束有什么问题？

高斯光束也有其缺点，在应用中，通常采用的是光束中心区域高强度部分，而两侧的低强度部分（即所谓的“翼”）往往就被浪费了，因为无论是材料加工、激光手术，还是其他应用，都需要激光强度高于应用所需的阈值（见图 2）。

此外，高斯光束的两翼也可能损伤目标区以外的区域，从而扩大热影响区。这对激光手术和精密材料加工等是不利的，因为这些应用优先考虑的是高精度和最小的热影响区。因此，高斯光束加工材料不会有特别光滑的边缘，从而降低了系统的精度。

为什么使用平顶光束？

与高斯光束相比，平顶光束剖面没有翼形部分，边缘过渡更陡，因此强度传输效率更高，热影响区更小。[2] 使用平顶光束进行蚀刻、焊接或切割都会更加精确，对周围区域的损伤也会更小。

图2：在众多应用中，平顶光束比高斯光束的能量利用率更高。对于高斯光束，高于应用阈值的多余能量和低于阈值的光束边缘（或翼形区域）的能量，都被浪费了。

平顶光束的这一主要优势使其适用于多种不同情况。在激光诱导损伤阈值（LIDT）测试和其他计量系统中，平顶光束均匀的强度分布可以最大限度地减少测量不确定性和统计方差。平顶光束在荧光显微、全息术和干涉测量系统中也很有优势。[3]

评估实际激光光束是否接近完美平顶光束的一种方法，是分析其平整度系数 (Fη)，其计算方法是用平均辐照度值除以光束的最大辐照度值，如 ISO 13694 标准所述。[2]

平顶光束的缺点是什么？

平顶光束并非适用于所有应用场景。它不像高斯光束那样具有成本效益，因为需要额外的光束整形组件，才能将高斯光束整形为平顶光束。该组件既可以直接内置在激光源中，也可以在激光器之外的系统中使用。这些光束整形组件取决于输入光束的尺寸，并对 X-Y 平面对准比较敏感。此外，与高斯光束不同，平顶光束在传播过程中不会保持不变。这意味着入射的平顶光束在系统中传输时不会保持平顶形状，最终会演变为类似于艾里斑分布。

如何实现平顶光束？

如果需要平顶光束，但是系统成本非常有限且性能不需要非常高时，可以使用小孔对高斯光束进行物理截断，以形成伪平顶轮廓。这种方法切断并浪费了高斯光束两翼的能量，并不会使光束的中心强度分布变均匀。如果维持低成本是一个主要因素，这种方法可能会很有用。

而对于需要高效利用激光能量的高性能系统，可以采用光束整形组件将高斯光束整形为平顶光束。光束整形组件有多种不同类型，包括折射、反射、全息和衍射器件。折射型光束整形器件使用场映射非球面或自由曲面透镜和其他折射组件来调控光束的相位（见图 3）。其优点是强度分布均匀，相位前沿平坦。入射光束的振幅和相位，通过伽利略透镜或开普勒透镜组件中的光学元件进行调控。这一过程通常效率很高（大于96%），并且在器件设计范围内与波长无关。折射型光束整形器产生的准直平顶光束，特别适用于长距离工作的应用，如全息成像和显微系统。

图3：基于波前畸变和能量守恒条件等工作原理，利用Edmund Optics的AdlOptics的AdlOptica πShaper平顶光束整形器，将高斯光束整形为平顶光束。[1]

其他类型的折射型光束整形器，将高斯光束整形为准直的艾里斑。这样做的好处在于，艾里斑通过衍射极限透镜组聚焦后，会形成具有平顶轮廓的聚焦点（见图 4）。在微加工、光刻和微焊接等许多应用中，聚焦点都需要平顶轮廓。[4,5]

图 4：折射型光束整形器，如 AdlOptica Focal-πShaper Q 平顶光束整形器，可将高斯光束整形为艾里斑，以便在聚焦点形成平顶轮廓。

另一方面，衍射型光束整形器利用衍射而不是折射，来改变入射激光束的强度分布。利用蚀刻工艺在基板上制备特定的微纳米结构，从而形成衍射元件。衍射元件的效果和波长范围通常取决于结构的高度和区域间距。因此，衍射光学元件必须在设计波长范围内使用，以免出现性能误差。

与折射型光束整形器相比，衍射型光束整形器对发散角、对准和光束位置更敏感。不过，衍射型光束整形器在空间受限的激光系统中有其特殊优势，因为其通常由单个衍射元件取代多个折射透镜，既能形成平顶光束，也能形成艾里斑。

激光光束积分器或均质器，是另一种类型的光束整形组件。它们由小透镜阵列组成，将入射光分离成更小的光束。然后，聚焦透镜将小光束叠加到目标平面上。最终输出光束是阵列中每个小透镜产生的衍射图样的总和。它们可以将入射的高斯光束整形为均匀的平顶轮廓。然而，这些系统经常会遇到随机辐照度波动，导致输出的光束轮廓并非完全强度均匀。表1将各种光束整形器进行了对比。

表1：几种典型的光束整形技术对比

平顶光束适用于各种激光系统，在这些系统中，精度和效率比成本更重要。目前市场上有折射型、衍射型和其他类型的光束整形器，激光系统集成商在选择光束整形器时有多种选择。表1提供了一些有用的经验法则，但如果想充分利用激光系统，还需要联系光学元件供应商，以获得更多关于选择最佳光束整形器件的专业指导。

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.