激光器自1960年問世以來，輸出波長不斷拓展，性能持續提升。一般情況下，激光輸出光束強度分布為近高斯函數，但是在激光抽運、材料加工、光學信息處理、光捕獲及操縱等諸多領域，都需要對激光的強度進行重新調制以獲得期望的空間分布，如將高斯光束整形為平頂光束、空心光束等，或通過調整光束的相位分布來控制傳播路徑，實現激光空間整形。
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光束整形分類
目前，常用的光束整形方法可分為3種。
第1種是采用濾波的方法，這種方法雖然原理、操作都較為簡單，但會損失入射光的大部分能量；
第2種是光場映射的方法，通過控制入射光場與目標光場的映射關系實現光束整形，常見的非球面透鏡組、雙折射透鏡組、衍射光學元件等都屬于該方法，這種方法多應用于單模激光光束的整形；
第3種是光束積分法，在這種方法中，入射光束經陣列元件分割后再經透鏡等積分元件在目標面疊加，與其他方法相比，這種方法最突出的特點是對波長不敏感，可用于非穩定、多模光場模式整形。對于部分相干光源，采用光束積分法能夠得到較為理想的整形效果。
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光束積分法
2.1 光束積分法是什么？
當入射激光模式不確定或隨時間變化時，采用針對確定光束整形的場映射方法一般無法獲得所需的光強分布，此時采用光束積分法會得到更為理想的效果。因此光束積分法特別適用于準分子激光器、激光二極管陣列、多模或光強分布不規則的激光光源。
光束積分法中“積分”的概念來源于出射光斑圖樣是許多細光束在目標面的疊加總和。一個光束積分系統一般由兩部分組成：1) 一個或多個多孔徑陣列元件，這部分元件可以將入射光束分割為細光束陣列，元件采用反射式還是折射式可根據實際需求選擇；2) 將細光束重排或聚焦到目標面的積分元件。
2.2 光束積分法的研究方法
近年來，光束積分法的研究一直圍繞兩個方向進行：
- 優化設計結構，降低元器件要求與簡化裝調工藝；
- 消除目標面處光束因子疊加產生的干涉條紋。常用的光束積分方法可按照所使用的器件進行分類，如棱鏡陣列、反射鏡陣列、微透鏡陣列(MLA)等。
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棱鏡陣列方法
日本鋼鐵公司的Yamaguchi等發明了利用多棱鏡陣列實現光束整形的方法，并將其應用到半導體激光器線陣的整形中。
圖1棱鏡陣列整形原理。(a)棱鏡陣列及半導體激光器線陣經棱鏡的光束轉換；(b)單個棱鏡結構
對于折射式棱鏡，由于材料色散的存在，光線在棱鏡內的偏折角度與激光波長密切相關，同時，光束質量在傳輸時會受到棱鏡材料缺陷和光譜偏移的影響，因此整形系統的效率和功率密度難以提高。2005年，Zheng等提出利用反射式的雙棱鏡陣列對半導體激光器疊陣進行整形。
為盡量降低對棱鏡加工與裝調的要求，2013年，Huang等利用2組交錯棱鏡陣列和1組反射鏡陣列進行光束整形。這種由多個棱鏡組陣列組成的整形系統需要很高的光學元件同軸度和裝調精度。2015年，Shi等利用在光譜儀光纖光源和狹縫間增加適當的光束整形系統(BSS)，提高了光通量。2016年，Wu等利用光束在棱鏡內部的全內反射特征，使用單棱鏡組對光束切割重排，以進一步簡化系統結構。
除了用于半導體激光器的光束整形外，棱鏡陣列在其他光源的整形中也有著廣泛的應用。此外，棱鏡中的軸棱錐自身具有分割光束的作用。
基于棱鏡陣列的方法是原理最為簡單且結構固定的光束積分方法，一般情況下僅使用幾何光學工具就可以完成整形光學結構的設計，并且使用單組棱鏡就可以達到多組反射鏡的效果，有利于減小整形裝置的尺寸和復雜程度，因此被廣泛應用于條碼掃描器、抽運固體激光器的激光二極管整形中。但這種方法對棱鏡的加工精度和對準精度要求很高，導致裝配困難；此外，這種方法只能針對特定的輸入光束進行整形，導致該方法適用范圍窄、靈活性差。
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反射陣列方法
早在19世紀80年代，研究者們就開始將反射式光束積分系統應用于光束勻化處理。1985年，Dagenais 等提出將一系列小反射平面鏡放置在一段橢圓弧上，入射光經拋物鏡反射，這可看作由橢圓的焦點F入射，經反射平面鏡陣列反射后，在過共軛焦點F'的焦平面上實現均勻照明，如圖2所示。
圖2 反射陣列光束整形原理
1997年，德國夫瑯禾費研究所Ehlers等提出了階梯反射鏡光束整形法，通過將入射光束按照反射鏡鏡面尺寸進行分割、旋轉、重排等處理，實現2個方向上光束質量的有效平衡。2007年，nLight公司在階梯反射鏡的基礎上提出了垂直堆棧法。
隨著半導體集成電路微加工技術和超精密機械加工技術的進步，微機電集成系統(MEMS)得到了很大的發展，數字微鏡器件(DMD)也因此得到了廣泛的應用。DMD最早是由Hornbeck于1987年發明的，它是一種基于半導體的快速反射數字光開關陣列器件。研究人員已將DMD引入光束整形技術中。
同時，DMD也被應用在局域空心光束整形中。1987年，Durnin首次提出局域空心光束的概念。目前已有科研人員使用DMD產生并控制了貝塞爾、膠囊狀等適用于光鑷系統的光束。
類似于DMD結構，研究人員也開發了基于微反射鏡陣列(MMA)的光束整形方法。荷蘭阿斯麥(ASML)公司將基于MMA的可編程照明裝置 (FlexRay)應用于NXT系列光刻機的曝光系統中，達到變換照明模式并產生特定照明光瞳分布的目的。
DMD和MMA裝置都能夠實現對光束空間及相位的高速調制，相比較而言，DMD對光束調制的幀速率允許在1 kHz數量級，光學效率在5%左右；MMA具有高達1 MHz數量級的幀速率，且在最新的報道中光學效率已達19.1%。
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MLA方法
Yamaguchi 等于1992年利用漸變折射率透鏡(GRIN)陣列將LD bar光束分割準直聚焦并用于抽運Nd:YAG激光器。此方法由于未進行子光束重排處理，光束均勻性未得到顯著提升，但由于減少了慢軸方向的拉格朗日不變量，所以整形后光束質量得到提升。這可認為是透鏡陣列光束整形的最早實例。
2011年，賈文武等將MLA用于LD疊陣整形，由于MLA破壞了LD疊陣中各子光束之間光場分布的相似性，且保證分割后的光束以非相干形式疊加，最終實現了勻化的目的。2014年，Qiao等利用橢圓MLA、GRIN及聚焦透鏡組成的光學系統對LD疊陣光束進行了準直與聚焦，并將其耦合入光纖，如圖3所示。
圖3 整形及聚焦系統
研究者們基于微透鏡勻化的基本原理，不斷建立和完善MLA光束整形分析模型，也根據幾何光學規律對光線在MLA中傳播的規律及性質進行了系統的像差分析和優化設計。
微透鏡的發展，在很大程度上依賴于光學微加工技術的進步。目前，微透鏡的加工工藝大致可分為兩類：一類為掩模光刻技術，如灰度掩模法等。為提高MLA的靈活性并提高光能利用率；另一類為無掩模光刻技術，如電子束刻蝕、聚焦離子束技術等。
MLA以其質量小、體積小、便于集成等優點已應用到諸多光束整形領域。隨著微光學技術的發展，MLA加工工藝已日趨成熟。目前MLA光束整形技術研究正朝著目標面干涉圖樣不均勻性不斷降低，加工工藝與流程不斷簡化的方向發展。
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總結
目前，隨著基礎理論研究、計算機模擬及設計手段的進一步完善，光束積分法向著整形系統微型化及集成化方向發展，具有非常好的研究與應用前景。然而，在很多復雜系統中，單獨使用光束積分法并不能實現良好的激光整形，需要配合其他方法一起使用，以構成完整的整形系統。
在常見的幾種方法中，使用棱鏡陣列對光束整形的原理較為簡單，但棱鏡的制造加工與裝調必須滿足嚴格的公差和精度要求，并且使用過程中由于其形狀大小并不固定，難以進行大規模的自動化生產、推廣；DMD及MMA使用方便、高效，可實現任意光束的整形，但較高的制作成本也成為了制約市場推廣的重要因素；MLA整形系統在理論分析、整形質量及加工制造等方面都已趨向于完善，在激光焊接、切割、打孔等材料加工、慣性約束核聚變、照明系統及醫療手術等方面都得到了廣泛應用。
作者：孟晶晶1， 2， 3，余錦2， 3， *，貊澤強1， 2， 3，王金舵1， 2， 3，代守軍1， 2， 3，王曉東1， 2， 3
1中國科學院光電研究院計算光學成像技術重點實驗室
2中國科學院光電研究院
3中國科學院大學
參考文獻：
孟晶晶, 余錦, 貊澤強, 王金舵, 代守軍, 王曉東 光束積分激光空間整形技術[J]. 激光與光電子學進展, 2019, 56(13): 130002
封面圖來源：網絡
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