光束整形 – 从深紫外到中红外的光束整形

激光束整形是优化激光材料加工应用的一项潜在技术，特别是在提高三维增材加工(AM)的表面质量和生产能力、加工深度控制和加工边缘轮廓控制等方面。已经有一些商业上可用的光束整形器来操纵空间剖面。对于系统集成商或终端用户，特别是在加工应用中，光束整形器作为一个模块来重新分配激光能量，以提高光束的利用效率。但是，因为缺少表征工具和量化参数，光束质量控制大多只能给出预估。此外，在其他几个制造应用中，如增材加工或高分辨率成像，定制化光束整形是必不可少的。系统的光束设计方法是激光材料加工应用的关键。

总体的光束整形设计概念主要分为折射式和衍射式两种。光束整形器的“流行”应用之一是将能量从高斯分布重新分配为平顶分布，如图1所示。

图1 Top-hat光束整形

光束整形通常用于定制化光学器件。我们在这列举了定制化规格参数。

Top-hat光束整形器的性能参数

(a)用于平顶激光器@1940nm的衍射光束整形器

在中波红外波段范围内，1940nm光纤激光器在透明聚合物加工过程中展现了独特的优势。在需要均匀能量分布以避免气泡的情况下，设计了一种平顶式波束形成器，如图2所示。通过与新加坡科学技术研究局(A*STAR)的合作，开发了一个专门的设计软件。

图2 衍射光束整形器

图3 设计软件输出

(b)用于线激光器@193nm的折射式光束整形器

高纵横比光束线在激光材料加工中具有重要的应用价值。例如，在深紫外光刻应用中，均匀的光束线能有效地提高加工速度。图4表示长宽比为400:1的光束。它由两片特别设计的镜头实现。

图4 193nm下高纵横比线光束设计