文/ Kristina Kaszei，Cory Boone 

盡管在某些應用中使用非高斯光束會有益，但是大多數激光束卻具有高斯輻照度分布。高斯光束的輻照截面隨著距中心距離的增加而對稱地減小。相比之下，平頂光束（也稱為禮帽光束）在光束橫截面上保持恒定的輻照度值，從而在整個激光系統的目標上提供一致的強度（見圖1）。這在諸如半導體晶圓加工、各種材料加工，以及高功率光束的非線性頻率轉換等應用中，實現了更準確和可預測的結果。

圖1：具有高斯光束輪廓的激光束（左）和具有平頂光束輪廓的激光束（右）的實驗輻照度輪廓。

與高斯光束相比，平頂光束可以在處理系統中產生更干凈的切口和更銳利的邊緣，但是產生平頂光束會增加系統的成本和復雜性。理解平頂光束輪廓的好處，以及產生平頂光束的不同方法，有助于激光系統集成商更好地了解哪種光束輪廓最適合其應用。

高斯光束的特性

高斯激光器比具有其他光束輪廓的激光光源更為常見，并且更具成本效益。大多數高質量的單模激光光源，都遵從低階高斯輻照度分布（也稱為TEM₀₀模式）發(fā)射光束。質量較低的光源也將具有某些程度的其他激光模式，但是人們通常假定激光束具有理想的高斯分布，以簡化系統建模。

如果高斯光束和平頂光束具有相同的平均光功率，則高斯光束的峰值輻照度將是平頂光束的兩倍。當高斯光束通過光學系統傳播時，即使峰值或光束尺寸發(fā)生變化，也會保持高斯輻照度分布。這意味著高斯光束在變換下保持恒定。

高斯光束有什么問題？

高斯激光輪廓有幾個缺點，例如光束可用中心區(qū)域任一側的低強度部分，稱為“兩翼”。這些兩翼通常包含浪費的能量，因為其強度低于給定應用所需的閾值，這些應用包括材料加工、激光手術以及其他一些要求強度超過兩翼強度的應用（見圖2）。

圖2：對于許多應用而言，平頂激光束輪廓比高斯光束輪廓能更有效地利用能量。在高斯光束輪廓中，高于應用要求的強度閾值的過剩能量，和其外部或兩翼中低于閾值要求的能量，都被浪費掉了。

高斯光束的兩翼也可能損傷目標區(qū)域以外的周圍區(qū)域，從而擴展熱影響區(qū)。這對于諸如激光手術和精密材料加工這樣的應用而言，是非常不利的。在這種情況下，要優(yōu)先考慮高精度和對周圍區(qū)域的損傷最小化。由于這種影響，使用高斯光束形成的特征，將不會具有特別平滑的邊緣，這顯然會降低系統精度。

為什么要使用平頂光束？

與高斯光束相比，平頂光束輪廓中沒有兩翼，但具有較陡的邊緣過渡，因此能量傳輸效率更高，并且熱影響區(qū)更小。^[2]

從圖2中可以看出，與高斯光束相比，平頂光束的能量能夠更清晰地包含在給定區(qū)域中。使用平頂光束刻蝕、焊接或切割的任何特征，都將更加準確，并且對周圍區(qū)域的損傷也會減少。平頂光束的主要優(yōu)點，使得它們能讓各種不同情況下的應用都受益。在激光誘導損傷閾值（LIDT）測試和其他計量系統中，定義良好且一致的平頂光束輻照度輪廓，可以將測量不確定性和統計差異最小化。平頂光束在許多熒光顯微、全息和干涉測量系統中，也同樣具有應用優(yōu)勢。^[3]

如何評估實際激光束與理想平頂輪廓的接近程度呢？一種方法是分析實際激光束的平坦因子（Fη）。正如ISO 13694中所描述的，該因子是通過將平均輻照度值除以光束的最大輻照度值得出的。^[2]

平頂光束有哪些缺點？

平頂光束并非在所有情況下都是完美或理想的。它們不像高斯激光束那么具有成本效益，因為需要額外的光束整形組件，才能將激光器的高斯輸出轉換為平頂輪廓。該組件既可以直接內置在激光源中，也可以將它們放置在激光器外部的其他位置。

這些光束整形組件取決于輸入光束的尺寸，并且對x-y對準敏感。另外，與高斯光束輪廓不同，平頂激光束輪廓在變換下不會保持恒定。這意味著當光束傳播通過系統時，入射的平頂光束輪廓將不會保持平頂形狀。平頂光束輪廓最終將演化成類似于艾里斑分布的輪廓。

如何獲得平頂光束？

當需要平頂光束輪廓、但系統受成本方面的嚴格限制、且性能不必非常高時，人們有時會使用孔徑將高斯光束物理截斷，以形成偽平頂輪廓。這樣會切斷并浪費高斯光束兩翼中的能量，并且不會使光束的中心部分變平。這種方法在保持低成本為主要決定因素的情況下，可能會有用。

對于需要更有效地使用昂貴的激光能量的高性能系統，通常選擇光束整形組件將高斯光束轉換為平頂光束。有幾種不同類型的光束整形組件，包括折射、反射、全息和衍射設計。折射光束整形組件使用場映射非球面透鏡或自由曲面透鏡，以及其他折射組件來操控光束的相位（見圖3）。它們得益于強度和平坦相前分布的均勻性。通過穿過伽利略或開普勒透鏡組件中的光學元件，可以操控入射光束的幅值和相位。

圖3：使用諸如愛特蒙特光學的AdlOptica πShaper平頂光束整形元件，通過波前畸變和能量守恒條件，將入射高斯光束折射整形為平頂輪廓。

在組件設計的范圍內，此過程通常是高效的（效率>96％），并且與波長無關。產生準直平頂光束的折射光束整形器，對于全息和顯微系統，特別是長距離工作的系統是有利的。

一些其他類型的折射光束整形器，將輸入的高斯光束輪廓轉換為準直的艾里斑輪廓。這是有益的，因為在通過衍射極限透鏡組件聚焦后，艾里斑輪廓形成了具有平頂輪廓的聚焦點（見圖4）。在包括微加工、光刻和微焊接在內的許多應用中，都希望在聚焦點具有平頂輪廓。^[4,5]

另一方面，衍射光束整形器利用衍射而不是折射，來改變入射激光束的輻照度分布。蝕刻工藝在襯底中形成特定的微結構或納米結構，從而形成衍射元件。元件和波長范圍的效果，通常取決于結構的高度和區(qū)域間距。

因此，必須在設計波長處使用衍射光學元件，以避免性能誤差。衍射光束整形器比折射設計更依賴于發(fā)散、對準和光束位置。但是，衍射光束整形器在空間受限的激光系統中特別有利，因為它們通常由單個衍射元件而不是多個折射透鏡組成。衍射光束整形器既可以形成平頂光束，也可以形成艾里斑光束輪廓。

激光光束積分器，或者說勻化器，是光束整形組件的另一種類型。它們由多個小透鏡陣列或小透鏡組成，將入射光束分成較小的光束（或者說細光束）。然后，聚焦組件透鏡將細光束疊加在目標平面上。

圖4：一些折射光束整形器，例如AdlOptica Focal πShaper Q平頂光束整形器，將入射的高斯光束輪廓轉換為艾里斑輪廓，以便在聚焦到一個點后形成平頂輪廓。

最終的輸出輪廓通常是陣列中每個小透鏡確定的衍射圖樣的總和。它們可以將入射高斯光束轉換為均勻的平頂輪廓。

但是，這些系統通常會經歷隨機的輻照度波動，從而導致輸出光束輪廓不是完美地平坦。表1中給出了不同光束整形技術的比較情況。在一些激光器系統中，精度和效率優(yōu)先于最小化成本，平頂光束對于這類激光器系統都是有利的。通過當前市場上的折射、衍射和其他光束整形設計，激光器系統集成商在選擇光束整形器時，有許多可用的選擇。表1中提供了一些有用的經驗法則，但在實際應用中，請與您的光學組件供應商聯系，以在選擇最佳光束整形器以充分利用您的激光系統方面，獲得更多指導。

參考文獻

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.