激光器自1960年問世以來，輸出波長不斷拓展，性能持續提升。一般情況下，激光輸出光束強度分布為(wei) 近高斯函數，但是在激光抽運、材料加工、光學信息處理、光捕獲及操縱等諸多領域，都需要對激光的強度進行重新調製以獲得期望的空間分布，如將高斯光束整形為(wei) 平頂光束、空心光束等，或通過調整光束的相位分布來控製傳(chuan) 播路徑，實現激光空間整形。

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光束整形分類

目前，常用的光束整形方法可分為(wei) 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(wei) 簡單，但會(hui) 損失入射光的大部分能量；

第2種是光場映射的方法，通過控製入射光場與(yu) 目標光場的映射關(guan) 係實現光束整形，常見的非球麵透鏡組、雙折射透鏡組、衍射光學元件等都屬於(yu) 該方法，這種方法多應用於(yu) 單模激光光束的整形；

第3種是光束積分法，在這種方法中，入射光束經陣列元件分割後再經透鏡等積分元件在目標麵疊加，與(yu) 其他方法相比，這種方法最突出的特點是對波長不敏感，可用於(yu) 非穩定、多模光場模式整形。對於(yu) 部分相幹光源，采用光束積分法能夠得到較為(wei) 理想的整形效果。

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光束積分法

2.1 光束積分法是什麽(me) ？

當入射激光模式不確定或隨時間變化時，采用針對確定光束整形的場映射方法一般無法獲得所需的光強分布，此時采用光束積分法會(hui) 得到更為(wei) 理想的效果。因此光束積分法特別適用於(yu) 準分子激光器、激光二極管陣列、多模或光強分布不規則的激光光源。

光束積分法中“積分”的概念來源於(yu) 出射光斑圖樣是許多細光束在目標麵的疊加總和。一個(ge) 光束積分係統一般由兩(liang) 部分組成：1) 一個(ge) 或多個(ge) 多孔徑陣列元件，這部分元件可以將入射光束分割為(wei) 細光束陣列，元件采用反射式還是折射式可根據實際需求選擇；2) 將細光束重排或聚焦到目標麵的積分元件。

2.2 光束積分法的研究方法

近年來，光束積分法的研究一直圍繞兩(liang) 個(ge) 方向進行：

• 優化設計結構，降低元器件要求與簡化裝調工藝；
• 消除目標麵處光束因子疊加產生的幹涉條紋。常用的光束積分方法可按照所使用的器件進行分類，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等發明了利用多棱鏡陣列實現光束整形的方法，並將其應用到半導體(ti) 激光器線陣的整形中。

圖1棱鏡陣列整形原理。(a)棱鏡陣列及半導體(ti) 激光器線陣經棱鏡的光束轉換；(b)單個(ge) 棱鏡結構

對於(yu) 折射式棱鏡，由於(yu) 材料色散的存在，光線在棱鏡內(nei) 的偏折角度與(yu) 激光波長密切相關(guan) ，同時，光束質量在傳(chuan) 輸時會(hui) 受到棱鏡材料缺陷和光譜偏移的影響，因此整形係統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半導體(ti) 激光器疊陣進行整形。

為(wei) 盡量降低對棱鏡加工與(yu) 裝調的要求，2013年，Huang等利用2組交錯棱鏡陣列和1組反射鏡陣列進行光束整形。這種由多個(ge) 棱鏡組陣列組成的整形係統需要很高的光學元件同軸度和裝調精度。2015年，Shi等利用在光譜儀(yi) 光纖光源和狹縫間增加適當的光束整形係統(BSS)，提高了光通量。2016年，Wu等利用光束在棱鏡內(nei) 部的全內(nei) 反射特征，使用單棱鏡組對光束切割重排，以進一步簡化係統結構。

除了用於(yu) 半導體(ti) 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用。此外，棱鏡中的軸棱錐自身具有分割光束的作用。

基於(yu) 棱鏡陣列的方法是原理最為(wei) 簡單且結構固定的光束積分方法，一般情況下僅(jin) 使用幾何光學工具就可以完成整形光學結構的設計，並且使用單組棱鏡就可以達到多組反射鏡的效果，有利於(yu) 減小整形裝置的尺寸和複雜程度，因此被廣泛應用於(yu) 條碼掃描器、抽運固體(ti) 激光器的激光二極管整形中。但這種方法對棱鏡的加工精度和對準精度要求很高，導致裝配困難；此外，這種方法隻能針對特定的輸入光束進行整形，導致該方法適用範圍窄、靈活性差。

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反射陣列方法

早在19世紀80年代，研究者們(men) 就開始將反射式光束積分係統應用於(yu) 光束勻化處理。1985年，Dagenais 等提出將一係列小反射平麵鏡放置在一段橢圓弧上，入射光經拋物鏡反射，這可看作由橢圓的焦點F入射，經反射平麵鏡陣列反射後，在過共軛焦點F'的焦平麵上實現均勻照明，如圖2所示。

圖2 反射陣列光束整形原理

1997年，德國夫琅禾費研究所Ehlers等提出了階梯反射鏡光束整形法，通過將入射光束按照反射鏡鏡麵尺寸進行分割、旋轉、重排等處理，實現2個(ge) 方向上光束質量的有效平衡。2007年，nLight公司在階梯反射鏡的基礎上提出了垂直堆棧法。

隨著半導體(ti) 集成電路微加工技術和超精密機械加工技術的進步，微機電集成係統(MEMS)得到了很大的發展，數字微鏡器件(DMD)也因此得到了廣泛的應用。DMD最早是由Hornbeck於(yu) 1987年發明的，它是一種基於(yu) 半導體(ti) 的快速反射數字光開關(guan) 陣列器件。研究人員已將DMD引入光束整形技術中。

同時，DMD也被應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(chan) 生並控製了貝塞爾、膠囊狀等適用於(yu) 光鑷係統的光束。

類似於(yu) DMD結構，研究人員也開發了基於(yu) 微反射鏡陣列(MMA)的光束整形方法。荷蘭(lan) 阿斯麥(ASML)公司將基於(yu) MMA的可編程照明裝置 (FlexRay)應用於(yu) NXT係列光刻機的曝光係統中，達到變換照明模式並產(chan) 生特定照明光瞳分布的目的。

DMD和MMA裝置都能夠實現對光束空間及相位的高速調製，相比較而言，DMD對光束調製的幀速率允許在1 kHz數量級，光學效率在5%左右；MMA具有高達1 MHz數量級的幀速率，且在最新的報道中光學效率已達19.1%。

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MLA方法

Yamaguchi 等於(yu) 1992年利用漸變折射率透鏡(GRIN)陣列將LD bar光束分割準直聚焦並用於(yu) 抽運Nd:YAG激光器。此方法由於(yu) 未進行子光束重排處理，光束均勻性未得到顯著提升，但由於(yu) 減少了慢軸方向的拉格朗日不變量，所以整形後光束質量得到提升。這可認為(wei) 是透鏡陣列光束整形的最早實例。

2011年，賈文武等將MLA用於(yu) LD疊陣整形，由於(yu) MLA破壞了LD疊陣中各子光束之間光場分布的相似性，且保證分割後的光束以非相幹形式疊加，最終實現了勻化的目的。2014年，Qiao等利用橢圓MLA、GRIN及聚焦透鏡組成的光學係統對LD疊陣光束進行了準直與(yu) 聚焦，並將其耦合入光纖，如圖3所示。

圖3 整形及聚焦係統

研究者們(men) 基於(yu) 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，也根據幾何光學規律對光線在MLA中傳(chuan) 播的規律及性質進行了係統的像差分析和優(you) 化設計。

微透鏡的發展，在很大程度上依賴於(yu) 光學微加工技術的進步。目前，微透鏡的加工工藝大致可分為(wei) 兩(liang) 類：一類為(wei) 掩模光刻技術，如灰度掩模法等。為(wei) 提高MLA的靈活性並提高光能利用率；另一類為(wei) 無掩模光刻技術，如電子束刻蝕、聚焦離子束技術等。

MLA以其質量小、體(ti) 積小、便於(yu) 集成等優(you) 點已應用到諸多光束整形領域。隨著微光學技術的發展，MLA加工工藝已日趨成熟。目前MLA光束整形技術研究正朝著目標麵幹涉圖樣不均勻性不斷降低，加工工藝與(yu) 流程不斷簡化的方向發展。

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總結

目前，隨著基礎理論研究、計算機模擬及設計手段的進一步完善，光束積分法向著整形係統微型化及集成化方向發展，具有非常好的研究與(yu) 應用前景。然而，在很多複雜係統中，單獨使用光束積分法並不能實現良好的激光整形，需要配合其他方法一起使用，以構成完整的整形係統。

在常見的幾種方法中，使用棱鏡陣列對光束整形的原理較為(wei) 簡單，但棱鏡的製造加工與(yu) 裝調必須滿足嚴(yan) 格的公差和精度要求，並且使用過程中由於(yu) 其形狀大小並不固定，難以進行大規模的自動化生產(chan) 、推廣；DMD及MMA使用方便、高效，可實現任意光束的整形，但較高的製作成本也成為(wei) 了製約市場推廣的重要因素；MLA整形係統在理論分析、整形質量及加工製造等方麵都已趨向於(yu) 完善，在激光焊接、切割、打孔等材料加工、慣性約束核聚變、照明係統及醫療手術等方麵都得到了廣泛應用。

作者：孟晶晶1， 2， 3，餘(yu) 錦2， 3， *，貊澤強1， 2， 3，王金舵1， 2， 3，代守軍(jun) 1， 2， 3，王曉東(dong) 1， 2， 3

1中國科學院光電研究院計算光學成像技術重點實驗室

2中國科學院光電研究院

3中國科學院大學

參考文獻：

孟晶晶, 餘(yu) 錦, 貊澤強, 王金舵, 代守軍(jun) , 王曉東(dong) 光束積分激光空間整形技術[J]. 激光與(yu) 光電子學進展, 2019, 56(13): 130002

封麵圖來源：網絡