光束整形常見的幾種方法

光束整形（Beam Shaping）是一種利用光束控制技術(shù)來改變光束的形狀和特性的過程。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光的應(yīng)用也越來越廣泛，但是在半導(dǎo)體光刻、激光印刷、激光加工、光學(xué)信息處理等領(lǐng)域中，都對激光光束的均勻性有著一定的要求。然而激光器諧振腔輸出的光束呈高斯分布，這一特性使其往往不能被直接使用，需要通過光束整形來提高均勻性，以滿足應(yīng)用的需求。目前激光光束整形方法主要包括光闌法、場映射法和多孔徑光束聚焦法。

一、光闌法

光闌法（Aperture Method）是一種常見的光束整形方法，使用的是光闌來調(diào)整光束的形狀和大小。在光學(xué)設(shè)備中，光闌是一個用于限制和調(diào)整光束的物理孔徑或開口。通過控制光闌的形狀和大小，可以調(diào)整光束的橫截面形狀和大小，從而達(dá)到特定的光學(xué)性能。例如，將光闌設(shè)置為圓形，可以得到一個圓形光束；將光闌設(shè)置為矩形，則可以得到一個矩形光束。

在光闌法中，通常使用透鏡或聚焦器將光束聚焦到光闌上，調(diào)整光闌的位置和大小來實現(xiàn)所需的光束形狀和性能。光闌法可以用于激光微加工、光纖通信、光學(xué)傳感等領(lǐng)域，是一種簡單有效的光束整形方法。

二、場映射法

場映射法（Field Mapping Method）是一種常用的光束整形方法，它通過在光學(xué)系統(tǒng)的傳輸路徑中使用特定的光學(xué)元件，如透鏡陣列或光柵陣列，來調(diào)整光束的形狀和分布。場映射法的基本原理是將輸入光束的場分布映射到輸出光束上，通過調(diào)整映射元件的參數(shù)，可以改變光束的橫截面形狀、尺寸和強度分布。

在場映射法中，常用的光學(xué)元件包括透鏡陣列和光柵陣列。透鏡陣列可以用來調(diào)整光束的焦距和聚焦效果，從而改變光束的聚焦性質(zhì)。光柵陣列則可以用來分割光束和調(diào)整光束的相位分布，從而實現(xiàn)形狀和分布的變換。

三、多孔徑光束聚焦法

多孔徑光束聚焦法（Multi-aperture Beam Focusing Method）由微鏡陣列和聚焦元件組成，輸入光束首先被微鏡陣列分成若干子光束，再通過聚焦透鏡對子光束疊加輸出，以實現(xiàn)對光束的整形操作。這種方法適用于空間相干度較低的多模激光器，常用于光刻、激光加工和準(zhǔn)分子激光器的整形中。

微鏡陣列材料易獲取，結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)整，能量損耗較低，在光束整形領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。微鏡陣列有很多種類，常見的有正交光楔陣列、復(fù)眼透鏡陣列、微反射鏡陣列、可變焦微透鏡陣列等。微鏡陣列的整形效果受到很多因素制約。其中陣列個數(shù)的影響最大，通常，雙列微鏡系統(tǒng)的光束整形能力是優(yōu)于單列微鏡系統(tǒng)的，這是因為第二列微鏡會充當(dāng)場鏡陣列，使得入射光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，其輻照光斑的邊緣能量差異降低，進(jìn)而提高均勻性。

這三種光束整形方法中，光闌法作為傳統(tǒng)光束整形技術(shù)具有原理簡單、操作方便等優(yōu)點，但其會造成輸入光束的能量損失。場映射器法經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計可以做到有效無損，特別適用于單模激光器的整形。多孔徑光束聚焦法中以 DMD 為代表的微反射陣列由于可主動調(diào)節(jié)有著不錯的發(fā)展前景。這些方法常用于激光加工、光通信、光刻、光學(xué)顯微鏡、光學(xué)測量和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，以滿足各種應(yīng)用的需求。具體選擇哪種方法取決于需要實現(xiàn)的光束整形效果、光源類型、工作波長以及實際應(yīng)用場景。

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審核編輯：劉清