用于将高斯激光束转换为平行平顶光束的紧凑型光束整形器

在很多应用领域，计量学、显微镜或材料加工领域，都需要最佳照明环境，这个时候光源强度的分布均匀度非常重要，而非球面镜可以非常灵活的进行光束整形，比如a|TopShape非球面镜可以进行折射光束整形，产生强度均匀分布的光斑。a|AiryShape光束整形镜可以进行折射来光束整形，产生聚焦平顶分布的光斑。

使用alTopShape进行折射光束整形以产生均匀的强度分布

通过使用非球面光束整形可以从准直的高斯光束中产生准直的平顶光分布。使用非球面透镜的方式重新分配入射光束的光线，以便在一定距离上产生均匀的强度分布。光束再次与第二个非球面准直。然而，现有光束整形系统的一个缺点是非球面与由此产生的总长度之间的距离很大。该距离用于补偿与生产相关的镜头表面缺陷。

图1光束整形系统alTopShape与光纤准直器alAsphereiColl和alBeamExpander非球面扩束器相结合的示意图，用于灵活调整输入和输出光束直径。

通过alTopShape，Asphericon提供了一个非常紧凑的高斯到平顶光束整形器，其尺寸仅为以前系统的一半。由于非球面表面的高精度，减少了总长度是可能的。其结果是平行平顶光束形状，可以灵活地适应各种任务。图1中展示出了|BeamExpander和alAspereicol光纤准直器具有光纤耦合和输入和输出光束缩放的示例性设置。

alTopShape准直光束整形器在实验室中的应用

图 2 显示了a|TopShape准直光束整形器与两个a|BeamExpander非球面扩束器和一个用于光纤耦合的a|AspheriColl的组合实验装置，整个装置仅需约200mm的空间。使用光束轮廓分析仪（Ophir SP928）测量了波长为635nm、工作距离为100mm的光束强度分布（见图 3）。该设置的强度分布具有0.33的ISO平台均匀性和 0.4的ISO边缘陡度。应该注意的是，记录的光束轮廓是在穿过12个表面后创建的，其中6个是非球面的。

图2实验装置包括一个|AspheriColl、两个|BeamExpander和一个|alTopShape

此外，所产生的波前由Phasic的SID4-HR-307c（300x400pts）高精度传感器检测。由于传感器尺寸有限，在图2所示的光束整形装置中又增加了一个非球面扩束器，光束直径被缩小到所需的尺寸。在通过14个表面后，其中7个为非球面，得到的RMS波前有效值误差为0.05λ，相当于0.9的斯特列尔比（λ=632）。

图 3a使用相干激光源测量的光束轮廓和图3b使用相干激光源测量的波前

在实验过程中，获得了沿光轴至少300毫米的稳定平顶光强度分布。a|TopShape通常用于照明和计量领域，也可用于荧光显微镜。

a|TopShape准直光束整形器的实际应用

激光荧光显微镜的定量分析要求很高，尤其是在基于高斯光束轮廓和载玻片照明不均匀的情况下。由于照明不均匀，分子被不规则地激活（到照明中心的距离越远，荧光越弱），拼接后的图像由于边界变暗而失去信息价值。在这种情况下，均匀的非高斯光束轮廓可以在这方面有所帮助。使用a|TopShape准直光束整形器将显微镜设置中的高斯光束转换为准直匀化、平坦的平行平顶光束，可确保载玻片得到均匀的照明和分子的均匀活化，拼接后的图像更易于阅读，也更有意义。

使用a|AiryShape进行折射光束整形，生成聚焦平顶分布

激光材料加工被广泛使用（不仅限于光学领域），例如钻孔或切割金属。如果使用高斯光束轮廓的激光，光束边缘的强度下降会影响切割边缘的质量（见图 4）。高质量的结果需要进一步切割，这反过来又会影响加工效率。

图5光束轮廓对材料加工结果的影响

焦平面上均匀的强度分布可以解决这个问题，因为它可以使热量均匀地输入到材料中，从而获得光滑的切割边缘。

通过将a|AiryShape平顶光束整形器与聚焦透镜结合使用，可以根据不同的要求创建不同尺寸的光束轮廓（平顶光或甜甜圈分布）。a|AiryShape的工作原理基于衍射理论和傅立叶变换。首先通过相位板将准直光束的高斯强度分布转换为贝塞尔-正弦分布（艾里分布）。随后，由于傅里叶变换的作用，透镜焦平面会出现平顶分布。

图5显示了a|AiryShape与用于光束适应的BeamExpander和用于光纤耦合的a|AspheriColl以及聚焦透镜的组合。焦点上的平顶光斑大小可通过选择聚焦透镜的焦距来调整。

图6光束整形系统a|AiryShape与非球面扩束器a|BeamExpander、a|AspheriColl和聚焦透镜的组合示意图。

聚焦Top-Hat的另一个应用领域是增材制造，即所谓的3D打印。在这里，平顶光聚焦技术可用于在先前通过激光烧结技术烧结的精细轮廓内填充更大的区域。

a|AiryShape在实验室中的应用

图7实验装置由以下部件组成：一个AspheriColl、两个非球面扩束器、一个 AiryShape和一个聚焦透镜（f=200 毫米）。

实验装置包括用于光纤耦合的AspheriColl和用于放大光束的BeamExpander，以及用于鉴定所述光束整形系统的a|AiryShape元件和聚焦透镜（f=200 毫米），如图6所示，系统总长度约为150mm。a|AiryShape 的优势在于，使用同一个装置可以在不同的工作平面上产生多个强度分布。为了使用光束轮廓分析仪（Ophir SP928）显示光束轮廓，只需沿光轴移动图像平面即可。图7显示了光束轮廓分析仪检测到的五种特征光束轮廓（三种不同的平顶分布、束腰和甜甜圈分布）。此外，图中还标出了尺寸和距离。

图 8使用a|AiryShape进行光束轮廓测量，包括特征光束轮廓的二维和横截面图（λ=635纳米）

利用非球面透镜进行灵活而强大的光束整形

这两款折射式光束整形器可实现灵活、高质量的光束整形。模块化设计是这两种组件的一大优势。因此，这两个系统既可用于准直光束，也可用于光纤耦合光源。此外，输入和输出光束可以按比例调节，因此这两个系统都可以很容易地集成到现有装置中。所有组件上的公制精细螺纹也确保了操作的流畅性。所有光学元件在支架上的高精度装配确保了光束路径内的完美对准。