自由曲面环形光束整形器、单模环形光束整形器在激光加工、增材制造及通信等领域的优势和前景，PowerPhotonic

PowerPhotonic专注于研发用于精确控制激光束形态的高端光学元件。其产品线包括能将激光束能量均匀化的平顶整形器、修正光束畸变的校正器，以及为增材制造量身定制的DEFT光束整形器。这些关键部件是高功率激光加工、先进3D打印、国防定向能系统和现代通信技术中不可或缺的核心组件。在本期的新闻动态中，主要内容包括PowerPhotonic在9月份的展会中展示了其在售自由曲面光学器件及其广泛应用、获得重大资金支持、关键人事任命等事项。

一．战略发展：Maven资本注资260万英镑，加速全球扩张

PowerPhotonic宣布成功获得来自Maven资本的260万英镑投资。此轮融资由“Maven Income and Growth VCTs”和“IFS - Maven Equity Finance”基金完成。公司创始人兼战略与增长总监Roy McBride表示，这是公司发展的一个重要里程碑。此笔资金将用于加速扩大其在英国和美国的业务运营，助力公司把握高增长市场中的新机遇，为客户创造更大价值。

二．技术核心：自由曲面光学元件的多功能性

2025年9月，PowerPhotonic通过参加SPIE传感器与成像大会、PLI创新会议及英国科学技术设施委员会展览等一系列行业展会，在环境监测、国土安全、国防、工业制造及学术研究等多个领域充分展示了其全自由曲面光学器件在提升系统性能、效率和多功能性方面的巨大优势。

展会期间重点展示的解决方案包括：

1. 工业解决方案

沉积能量平顶光束整形器（Deposited Energy Flat Top，DEFT）：与常规的平顶光束整形器旨在产生一个瞬时强度分布均匀的光斑不同，DEFT追求的不是光束在静止时的强度平顶，而是光束在扫描运动后，在粉末上形成的能量沉积轮廓的平顶，这是DEFT技术与所有其他光束整形技术最根本的区别。其设计目标函数从“光强分布”转变为“运动积分后的能量分布”。具体原理流程如下：

(1) 精准的波前调制：沉积能量平顶光束整形器光束整形器是一个基于自由曲面的精密光学元件。它通过极其复杂的微观曲面结构，对入射的高斯光束的波前相位进行重新分布。这种相位调制，并非为了形成均匀光强，而是为了形成一个经过精密计算的、特殊的非均匀光强分布。

(2) 创造“马鞍形”强度分布：经过调制后，沉积能量平顶光束整形器产生的输出光斑并非平顶，而是一个在扫描方向（例如X方向）上强度呈“马鞍形”或“双峰形”的特殊分布。简单来说，光斑在X方向的两侧强度较高，中心强度稍低。

(3) 动态扫描积分效应（核心关键）：当这个特殊的“马鞍形”光斑以速度V沿X方向扫描时，粉末上的一个固定点P会先后经历以下过程：时刻1：光斑前缘（高强度区）开始扫过点P，能量开始沉积。时刻2：光斑中心（较低强度区）扫过点P，沉积能量速率放缓。时刻3：光斑后缘（高强度区）扫过点P，再次加速沉积能量。

由于光斑的强度分布是经过逆向计算精确设计的，这三个阶段（前缘-中心-后缘）沉积的能量总和，恰好可以相互补偿，最终在点P上积累的能量与扫描路径上的任何其他点完全相同，从而在宏观上形成一条能量均匀沉积的轨迹。

图1：逆向设计光束形状，从而实现均匀地能量沉积

基于这一独特原理，DEFT技术带来了颠覆性的优势：

(1) 均匀的能量沉积：从根本上消除了因能量分布不均导致的各类制造缺陷，如孔隙、球化和残余应力。

(2) 致密且一致的微观结构：获得的熔池稳定，打印的金属零件密度更高（可达99.9%以上），机械性能各向同性更好。

(3) 提升工艺窗口：使得激光增材制造工艺参数（如激光功率、扫描速度）的设置范围更宽，降低了工艺调试难度和失败率。

(4) 高效率：其光束整形效率极高（通常>95%），几乎不损失激光功率。

DEFT可定制的规格：

单模环形光束整形器：PowerPhotonic环形光束整形器是一款折射光学元件，其核心在于利用精密自由曲面光学设计对输入光束的波前进行重新分布，最终在聚焦透镜的焦平面上形成小而精确的环形光斑。

图2：单模环形光束整形器的输出光强分布及光学系统设计

PowerPhotonic环形光束整形器在性能表现上多项指标显著优于传统环形光束生成方案：

(1) 高效率：整形效率超过95%，确保大部分输入光功率被有效利用

(2) 高消光比：环与中心的强度比达到2.7:1，形成清晰定义的环形轮廓

(3) 卓越功率处理能力：可处理超过100kW的连续波激光功率，适合高功率工业应用

(4) 精密环控制：产生小于2倍衍射极限的小型环形轮廓，环直径精度高达±3%

(5) 热稳定性：采用熔融石英材料制成，具有高激光损伤阈值，能够承受高功率激光

一般规格如下：

标准品型号：

*使用100mm聚焦镜头计算得出的峰峰值直径

1. 高功率解决方案

相干光束组合器组件模块：可将多个光纤激光器的光组合成一个单一的、相干的超高功率光束，满足高功率应用需求。

图3：PowerPhotonic相干光束组合器组件

传统单激光器在功率提升时面临光束质量退化、热管理难题和非线性效应等瓶颈。例如，单根光纤激光器的输出功率受限于非线性效应和光学损伤。相干光束组合器通过将多束激光的功率叠加为一个整体，同时实现高功率与高光束质量，成为解决这一问题的核心方案。PowerPhotonic的相干光束组合器组件专注于高功率光纤阵列的合成。

自2022年以来，PowerPhotonic已实现了：

（1）针对7、19、37及61通道优化了晶圆级自由曲面光学器件的设计

（2）设计、制造并验证了7通道CBC模块，该模块采用"制造态"对准校正板

（3）模拟了19、37和61通道的晶圆级自由曲面光学套件性能

PowerPhotonic相干光束组合器组件模块的优势：

1. 像差校正器

PowerPhotonic 像差校正器是自由曲面形光学器件，设计用于同时校正激光系统中的多种像差，如指向偏差、散焦、散光和彗形像差，恢复光束质量，且无需高复杂度或高成本。PowerPhotonic的补偿器采用石英玻璃制造，具有极低的散射和低损耗。

图4：像差校正器光路系统设置

一般规格如下：

技术应用：

（1）激光材料加工

（2）国防军事

（3）激光惯性约束聚变

（4）荧光显微镜/细胞术

1. 在线设计平台LightForge™

LightForge™，是PowerPhotonic推出的一个在线设计和定制微光学元件的平台。它旨在为客户提供快速、便捷的定制化微光学制造服务。

LightForge平台为用户带来了诸多便利和优势：

（1）极高的设计自由度与灵活性：你几乎可以定制任何形状、排布的光学元件，无论是任意周期、焦距，球面或非球面，甚至是随机或啁啾排布的微透镜阵列。

（2）快速原型开发，降低成本与风险：传统的微光学元件制造往往需要昂贵的开模费用，而LightForge™的"3D打印"方式省去了开模环节，显著降低了原型开发的成本和周期，使你能够快速验证设计概念。

（3）支持复杂光学结构：该平台能够加工双面透镜阵列，为更复杂的光学系统设计提供了可能。

LightForge™的主要应用领域

凭借其技术优势，基于LightForge平台定制的光学元件在许多领域都发挥着重要作用：

（1）光束整形与匀化：可以生成方形、圆形、环形、线形乃至任意形状的平顶光斑，满足激光加工、光刻等对光斑质量要求极高的应用。

（2）高功率半导体激光器：可定制慢轴和快轴准直镜阵列，并能有效矫正"Smile效应"，提升激光器光束质量。

（3）激光加工与材料处理：例如在电动汽车的激光焊接中，通过LightForge平台定制的光束整形器可以产生核心-环形光束或尾部光束，优化焊接过程，减少气孔和飞溅，提高焊接质量。

（4）光纤耦合：平台能够提供光纤耦合专用的微透镜阵列，提升光通信和光互连领域的传输效率。

目前平台能够定制的规格参数如下：

三．团队建设：吸纳顶尖人才，强化运营管理

为支持全球业务拓展，PowerPhotonic迎来了两位重要成员：

Anne Heaney出任临时运营总监：Anne是一位拥有超过20年经验的特许工程师，在运营卓越、财务管理和利益相关方 engagement 方面资历深厚。她将负责协调英国与美国两地的运营战略，并为其美国团队后续招聘一位常任运营总监奠定基础。

Craig Fleming获得OSHA认证：生产工程师Craig Fleming成功完成了OSHA 30小时一般行业课程。他将把所学专业知识应用于公司在英美两地的运营中，进一步巩固和提升PowerPhotonic的健康与安全文化。