激光器自1960年問(wèn)世以來(lái)，輸出波長(zhǎng)不斷拓展，性能持續(xù)提升。一般情況下，激光輸出光束強(qiáng)度分布為近高斯函數(shù)，但是在激光抽運(yùn)、材料加工、光學(xué)信息處理、光捕獲及操縱等諸多領(lǐng)域，都需要對(duì)激光的強(qiáng)度進(jìn)行重新調(diào)制以獲得期望的空間分布，如將高斯光束整形為平頂光束、空心光束等，或通過(guò)調(diào)整光束的相位分布來(lái)控制傳播路徑，實(shí)現(xiàn)激光空間整形。

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光束整形分類

目前，常用的光束整形方法可分為3種。

第1種是采用濾波的方法，這種方法雖然原理、操作都較為簡(jiǎn)單，但會(huì)損失入射光的大部分能量；

第2種是光場(chǎng)映射的方法，通過(guò)控制入射光場(chǎng)與目標(biāo)光場(chǎng)的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)光束整形，常見的非球面透鏡組、雙折射透鏡組、衍射光學(xué)元件等都屬于該方法，這種方法多應(yīng)用于單模激光光束的整形；

第3種是光束積分法，在這種方法中，入射光束經(jīng)陣列元件分割后再經(jīng)透鏡等積分元件在目標(biāo)面疊加，與其他方法相比，這種方法最突出的特點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)不敏感，可用于非穩(wěn)定、多模光場(chǎng)模式整形。對(duì)于部分相干光源，采用光束積分法能夠得到較為理想的整形效果。

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光束積分法

2.1 光束積分法是什么？

當(dāng)入射激光模式不確定或隨時(shí)間變化時(shí)，采用針對(duì)確定光束整形的場(chǎng)映射方法一般無(wú)法獲得所需的光強(qiáng)分布，此時(shí)采用光束積分法會(huì)得到更為理想的效果。因此光束積分法特別適用于準(zhǔn)分子激光器、激光二極管陣列、多?；蚬鈴?qiáng)分布不規(guī)則的激光光源。

光束積分法中“積分”的概念來(lái)源于出射光斑圖樣是許多細(xì)光束在目標(biāo)面的疊加總和。一個(gè)光束積分系統(tǒng)一般由兩部分組成：1) 一個(gè)或多個(gè)多孔徑陣列元件，這部分元件可以將入射光束分割為細(xì)光束陣列，元件采用反射式還是折射式可根據(jù)實(shí)際需求選擇；2) 將細(xì)光束重排或聚焦到目標(biāo)面的積分元件。

2.2 光束積分法的研究方法

近年來(lái)，光束積分法的研究一直圍繞兩個(gè)方向進(jìn)行：

• 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低元器件要求與簡(jiǎn)化裝調(diào)工藝；
• 消除目標(biāo)面處光束因子疊加產(chǎn)生的干涉條紋。常用的光束積分方法可按照所使用的器件進(jìn)行分類，如棱鏡陣列、反射鏡陣列、微透鏡陣列(MLA)等。

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棱鏡陣列方法

日本鋼鐵公司的Yamaguchi等發(fā)明了利用多棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束整形的方法，并將其應(yīng)用到半導(dǎo)體激光器線陣的整形中。

圖1棱鏡陣列整形原理。(a)棱鏡陣列及半導(dǎo)體激光器線陣經(jīng)棱鏡的光束轉(zhuǎn)換；(b)單個(gè)棱鏡結(jié)構(gòu)

對(duì)于折射式棱鏡，由于材料色散的存在，光線在棱鏡內(nèi)的偏折角度與激光波長(zhǎng)密切相關(guān)，同時(shí)，光束質(zhì)量在傳輸時(shí)會(huì)受到棱鏡材料缺陷和光譜偏移的影響，因此整形系統(tǒng)的效率和功率密度難以提高。2005年，Zheng等提出利用反射式的雙棱鏡陣列對(duì)半導(dǎo)體激光器疊陣進(jìn)行整形。

為盡量降低對(duì)棱鏡加工與裝調(diào)的要求，2013年，Huang等利用2組交錯(cuò)棱鏡陣列和1組反射鏡陣列進(jìn)行光束整形。這種由多個(gè)棱鏡組陣列組成的整形系統(tǒng)需要很高的光學(xué)元件同軸度和裝調(diào)精度。2015年，Shi等利用在光譜儀光纖光源和狹縫間增加適當(dāng)?shù)墓馐蜗到y(tǒng)(BSS)，提高了光通量。2016年，Wu等利用光束在棱鏡內(nèi)部的全內(nèi)反射特征，使用單棱鏡組對(duì)光束切割重排，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

除了用于半導(dǎo)體激光器的光束整形外，棱鏡陣列在其他光源的整形中也有著廣泛的應(yīng)用。此外，棱鏡中的軸棱錐自身具有分割光束的作用。

基于棱鏡陣列的方法是原理最為簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)固定的光束積分方法，一般情況下僅使用幾何光學(xué)工具就可以完成整形光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并且使用單組棱鏡就可以達(dá)到多組反射鏡的效果，有利于減小整形裝置的尺寸和復(fù)雜程度，因此被廣泛應(yīng)用于條碼掃描器、抽運(yùn)固體激光器的激光二極管整形中。但這種方法對(duì)棱鏡的加工精度和對(duì)準(zhǔn)精度要求很高，導(dǎo)致裝配困難；此外，這種方法只能針對(duì)特定的輸入光束進(jìn)行整形，導(dǎo)致該方法適用范圍窄、靈活性差。

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反射陣列方法

早在19世紀(jì)80年代，研究者們就開始將反射式光束積分系統(tǒng)應(yīng)用于光束勻化處理。1985年，Dagenais 等提出將一系列小反射平面鏡放置在一段橢圓弧上，入射光經(jīng)拋物鏡反射，這可看作由橢圓的焦點(diǎn)F入射，經(jīng)反射平面鏡陣列反射后，在過(guò)共軛焦點(diǎn)F'的焦平面上實(shí)現(xiàn)均勻照明，如圖2所示。

圖2 反射陣列光束整形原理

1997年，德國(guó)夫瑯禾費(fèi)研究所Ehlers等提出了階梯反射鏡光束整形法，通過(guò)將入射光束按照反射鏡鏡面尺寸進(jìn)行分割、旋轉(zhuǎn)、重排等處理，實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向上光束質(zhì)量的有效平衡。2007年，nLight公司在階梯反射鏡的基礎(chǔ)上提出了垂直堆棧法。

隨著半導(dǎo)體集成電路微加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，微機(jī)電集成系統(tǒng)(MEMS)得到了很大的發(fā)展，數(shù)字微鏡器件(DMD)也因此得到了廣泛的應(yīng)用。DMD最早是由Hornbeck于1987年發(fā)明的，它是一種基于半導(dǎo)體的快速反射數(shù)字光開關(guān)陣列器件。研究人員已將DMD引入光束整形技術(shù)中。

同時(shí)，DMD也被應(yīng)用在局域空心光束整形中。1987年，Durnin首次提出局域空心光束的概念。目前已有科研人員使用DMD產(chǎn)生并控制了貝塞爾、膠囊狀等適用于光鑷系統(tǒng)的光束。

類似于DMD結(jié)構(gòu)，研究人員也開發(fā)了基于微反射鏡陣列(MMA)的光束整形方法。荷蘭阿斯麥(ASML)公司將基于MMA的可編程照明裝置 (FlexRay)應(yīng)用于NXT系列光刻機(jī)的曝光系統(tǒng)中，達(dá)到變換照明模式并產(chǎn)生特定照明光瞳分布的目的。

DMD和MMA裝置都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光束空間及相位的高速調(diào)制，相比較而言，DMD對(duì)光束調(diào)制的幀速率允許在1 kHz數(shù)量級(jí)，光學(xué)效率在5%左右；MMA具有高達(dá)1 MHz數(shù)量級(jí)的幀速率，且在最新的報(bào)道中光學(xué)效率已達(dá)19.1%。

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MLA方法

Yamaguchi 等于1992年利用漸變折射率透鏡(GRIN)陣列將LD bar光束分割準(zhǔn)直聚焦并用于抽運(yùn)Nd:YAG激光器。此方法由于未進(jìn)行子光束重排處理，光束均勻性未得到顯著提升，但由于減少了慢軸方向的拉格朗日不變量，所以整形后光束質(zhì)量得到提升。這可認(rèn)為是透鏡陣列光束整形的最早實(shí)例。

2011年，賈文武等將MLA用于LD疊陣整形，由于MLA破壞了LD疊陣中各子光束之間光場(chǎng)分布的相似性，且保證分割后的光束以非相干形式疊加，最終實(shí)現(xiàn)了勻化的目的。2014年，Qiao等利用橢圓MLA、GRIN及聚焦透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)LD疊陣光束進(jìn)行了準(zhǔn)直與聚焦，并將其耦合入光纖，如圖3所示。

圖3 整形及聚焦系統(tǒng)

研究者們基于微透鏡勻化的基本原理，不斷建立和完善MLA光束整形分析模型，也根據(jù)幾何光學(xué)規(guī)律對(duì)光線在MLA中傳播的規(guī)律及性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的像差分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

微透鏡的發(fā)展，在很大程度上依賴于光學(xué)微加工技術(shù)的進(jìn)步。目前，微透鏡的加工工藝大致可分為兩類：一類為掩模光刻技術(shù)，如灰度掩模法等。為提高M(jìn)LA的靈活性并提高光能利用率；另一類為無(wú)掩模光刻技術(shù)，如電子束刻蝕、聚焦離子束技術(shù)等。

MLA以其質(zhì)量小、體積小、便于集成等優(yōu)點(diǎn)已應(yīng)用到諸多光束整形領(lǐng)域。隨著微光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，MLA加工工藝已日趨成熟。目前MLA光束整形技術(shù)研究正朝著目標(biāo)面干涉圖樣不均勻性不斷降低，加工工藝與流程不斷簡(jiǎn)化的方向發(fā)展。

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總結(jié)

目前，隨著基礎(chǔ)理論研究、計(jì)算機(jī)模擬及設(shè)計(jì)手段的進(jìn)一步完善，光束積分法向著整形系統(tǒng)微型化及集成化方向發(fā)展，具有非常好的研究與應(yīng)用前景。然而，在很多復(fù)雜系統(tǒng)中，單獨(dú)使用光束積分法并不能實(shí)現(xiàn)良好的激光整形，需要配合其他方法一起使用，以構(gòu)成完整的整形系統(tǒng)。

在常見的幾種方法中，使用棱鏡陣列對(duì)光束整形的原理較為簡(jiǎn)單，但棱鏡的制造加工與裝調(diào)必須滿足嚴(yán)格的公差和精度要求，并且使用過(guò)程中由于其形狀大小并不固定，難以進(jìn)行大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)、推廣；DMD及MMA使用方便、高效，可實(shí)現(xiàn)任意光束的整形，但較高的制作成本也成為了制約市場(chǎng)推廣的重要因素；MLA整形系統(tǒng)在理論分析、整形質(zhì)量及加工制造等方面都已趨向于完善，在激光焊接、切割、打孔等材料加工、慣性約束核聚變、照明系統(tǒng)及醫(yī)療手術(shù)等方面都得到了廣泛應(yīng)用。

作者：孟晶晶1， 2， 3，余錦2， 3， *，貊澤強(qiáng)1， 2， 3，王金舵1， 2， 3，代守軍1， 2， 3，王曉東1， 2， 3

1中國(guó)科學(xué)院光電研究院計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中國(guó)科學(xué)院光電研究院

3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

參考文獻(xiàn)：

孟晶晶, 余錦, 貊澤強(qiáng), 王金舵, 代守軍, 王曉東 光束積分激光空間整形技術(shù)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2019, 56(13): 130002

封面圖來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)