衍射光束整形器——平顶光束整形器

平顶光束整形器是一种衍射光学元件，它将入射高斯光束的相位改变为一个平顶形状的能量分布。这篇文章将讨论平顶光束整形器的用途和什么时候适合使用它。

激光束整形导论

如今，通过将激光束塑造成各种针对特定处理和工艺的能量分布，提高了激光制造的功率利用率和激光加工效果，实现了更高的激光加工效率和激光加工质量。

当提到光束整形光学时，市场上有几种不同的方法，最简单的方法是粗玻璃，它将穿过它的光漫射以产生均匀光束，到由多个透镜和其他光学元件组成的复杂光学模块。

本文将重点介绍一种紧凑、经济、最重要的是能提供最精确的激光束整形方法——衍射光束整形器。

用衍射光束整形器生成平顶光束轮廓

是一种解析光学元件，即它执行定义明确的光学功能，其输出是一个已知的连续相位轮廓，没有相位随机化。从外形上看，它是一种扁平的窗口片状元件，其表面以微米级的步长蚀刻了独特的计算机优化图案。蚀刻图案在被照射时会对穿过元件的部分光产生相位延迟。当针对特定输入光束进行正确设计时，可以控制这些相位延迟，最终在输出端生成具有几乎任何所需形状和尺寸特征的图像。此外，生成的光束整形器光在形状内具有非常均匀和均匀的能量分布，在包含能量的区域和不包含能量的区域之间具有尖锐的边缘。

这种类型的能量分布，当聚焦时，可以为许多激光系统集成商提供竞争优势，特别是在材料加工应用，如激光微加工，太阳能板的精确划片等。

为什么激光束需要激光束整形?

虽然激光加工功率越来越高，但在激光系统的整个系统周期中，从设计到工程到运行，功率仍然是最昂贵的组成部分之一。因此，建议以最优化的方式利用可用的功率。这就是衍射平顶光束成形器的用武之地。

在大多数情况下，整形激光束是为特定系统和工艺参数定制设计的。它通常以一种方式定义，该方式将确定输出略高于所需激光加工过程阈值（Laser processing threshold）的平坦度，以避免任何不必要的能源浪费。输出光束的形状和尺寸也将根据所需的工艺参数进行调整，以实现最大的加工效率，并且与使用非成形光束（高斯光束）相比，提高设备阈值。

此外，由于衍射光学元件制造过程的零角度公差，将平顶光束整形器集成到系统中可确保多个类似设计系统之间的过程可重复性，与激光脉冲能量不同，加工区域不依赖于激光脉冲能量。具有典型高斯光束的情况。

平顶光束整形器能量分布与高斯光束能量分布

什么时候建议使用平顶光束整形激光器?

并不是每一个系统都可以使用平顶光束整形器，也不是所有系统都应该使用。

由于其独特的品质，它们经常用于高价值激光加工系统中。平顶光束整形器通常集成到非常需要精确处理的高精度激光加工设备中，尤其适合批量装配激光加工设备的情况。如果平顶光斑的面积大于所需的处理区域，则会对处理的工件造成损坏。 

使用平顶光束整形器有一些硬性要求——输入必须是M^2 值 < 1.5 的高度相干单模光束，还有一个附加条件是光束直径与光学清晰孔径的比值。

在输入光束是多模光束时，则可以使用其他激光束整形器，如衍射扩散器或宽带扩散器。这两种选择都提供了良好的整形质量和增加的系统加工效率，通常用于需要处理的大面积区域，而不是集中的区域。

一些关于激光束整形的问题

什么是激光束整形？

从广义上讲，激光束整形是指生成与输入光束不同的激光束输出图像。

激光束整形器如何工作？

激光束整形器有不同的方法和类型，每种都提供不同的质量，适用于不同的系统。这些包括平顶光束整形器、衍射扩散器、宽带扩散器等。

建议何时使用平顶光束整形器？

Holoor建议在具有高价值、高功率的单模激光系统中使用平顶光束整形器，它可以优化脉冲功率使用和处理区域的工艺精度。