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據(jù)悉，在利用先進(jìn)的高功率激光器加工工業(yè)材料的過(guò)程中，光束整形光學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
在利用先進(jìn)的高功率激光器加工工業(yè)材料的過(guò)程中，光束整形光學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。非球面或衍射光束整形器將單模（TEM00）激光束的高斯光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為平頂光束。雖然非球面光束整形器可以制作圓形平頂，但衍射光束整形器可以在輸出光束形狀上實(shí)現(xiàn)很大的靈活性。光束整形通常與掃描光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，掃描光學(xué)系統(tǒng)由振鏡和f-θ透鏡組成。這些光束整形器用于脈沖或連續(xù)單模激光應(yīng)用，即薄膜或塊體材料的燒蝕、切割、鉆孔、劃線、退火等。本文介紹了實(shí)際應(yīng)用中使用的光學(xué)系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)概念和規(guī)格示例。
在激光材料加工的最新創(chuàng)新中，光學(xué)與激光振蕩器一樣發(fā)揮著重要作用。非球面透鏡和衍射光學(xué)元件（DOE）就是這種先進(jìn)光學(xué)的典型例子。非球面像差校正已經(jīng)成為獲得激光束衍射極限光斑尺寸的標(biāo)準(zhǔn)方法。平頂光束產(chǎn)生是非球面光學(xué)和差分光學(xué)的高級(jí)應(yīng)用。這些光學(xué)元件將高斯光束轉(zhuǎn)換為圓形、矩形或其他各種形狀的均勻強(qiáng)度分布。這種光學(xué)功能也被稱為光束整形，這意味著在更廣泛的意義上，強(qiáng)度分布的產(chǎn)生和控制，包括向非均勻光束而非平頂光束的轉(zhuǎn)換，或從非高斯光束的轉(zhuǎn)換。用于這些目的的光學(xué)元件是“光束整形器”。
用光束整形器生成平頂光束
光束整形有幾種光學(xué)技術(shù)。單模激光器最常用的一種是“幾何光束重映射”，其中光束整形器的功能是通過(guò)局部發(fā)散或會(huì)聚入射高斯光束的光束部分來(lái)重塑輸出光束輪廓。如圖1所示，具有較高強(qiáng)度的中心部分發(fā)散，而較低強(qiáng)度的外部部分會(huì)聚。基于這種想法，光束被分割成更小的部分，并在焦平面上無(wú)縫地重新映射，以使輸出強(qiáng)度更平坦。非常重要的是，在光束整形器和焦平面之間沒(méi)有光束部分（或部分）相互交叉，這意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)疊加在焦平面上。
圖1光強(qiáng)分布的重映射原理。
非球面光束整形器可以在沒(méi)有任何衍射損失的情況下產(chǎn)生圓形平頂。衍射光束整形器比非球面光束整形器能產(chǎn)生各種各樣的光束形狀。然而，由于衍射損耗，衍射效率通常為80%至95%。圖2顯示了一個(gè)非球面光束整形器的示例，該整形器從直徑為10 mm 1/e2的單模綠光激光器中產(chǎn)生一個(gè)直徑為65μm 1/e2的小平頂光斑，其中心長(zhǎng)度為200mm。通過(guò)光線跟蹤優(yōu)化整形器的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面，以滿足這些要求。圖1中的重映射原理表明，輸入光束的大小、輪廓或偏心的任何變化都不再保持輸出光束均勻分布的平衡。當(dāng)輸入光束尺寸的規(guī)格發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地再次優(yōu)化和修改非球面設(shè)計(jì)。圖3顯示了用于單模綠光激光器的衍射光束整形器（一種DOS）的兩個(gè)示例，其分別產(chǎn)生（a）1.0 mm×0.5 mm矩形和（b）4 mm長(zhǎng)的線性平頂光束。矩形梁在水平軸和垂直軸上具有平頂輪廓。在這種情況下，線光束在短軸上具有0.1毫米1/e2寬度的高斯強(qiáng)度分布。
圖2單元件非球面光束整形器。
圖3衍射光束整形器(DOE)。
衍射整形器的表面有一個(gè)表面浮雕微結(jié)構(gòu)，由多層橫截面和馬賽克狀的復(fù)雜橫向圖案組成。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于元件的相位分布，它調(diào)制入射光束的波前，以重新映射光束和非球面整形器的強(qiáng)度分布。為了提高平頂?shù)木鶆蛐裕瑴p少平頂光斑周圍的衍射損耗和噪聲強(qiáng)度，使用迭代算法優(yōu)化相位分布。
如圖2所示，光束在傳播過(guò)程中改變其強(qiáng)度分布，并且在光束整形器的焦點(diǎn)（Z=0）處具有平頂分布。在焦點(diǎn)（Z<0）之前，光束更大，頂部輪廓更圓。聚焦（Z>0）后，光束變小，形成更環(huán)形的光斑。光束的進(jìn)一步傳播使環(huán)形光斑變小，最終集中到中心光斑，在光束傳播過(guò)程中，中心光斑的峰值強(qiáng)度最大。需要注意的是，這些強(qiáng)度變化出現(xiàn)在所有光束映射型光束整形器中，包括非球面和衍射面，因?yàn)楸M管有平頂產(chǎn)生的作用，但由非球面或衍射面引起的波前調(diào)制對(duì)應(yīng)于各種波前誤差(像差)。
為了減少光束傳輸過(guò)程中平頂輪廓的退化，平頂光束的波前誤差應(yīng)通過(guò)光束整形器的第二個(gè)元件進(jìn)行校正。圖4顯示了輸出“準(zhǔn)直”（平波前）平頂光束的兩元件型光束整形器的示例。在該圖中，第一個(gè)非球面元件（#1）在焦點(diǎn)位置將CO2激光器的高斯光束轉(zhuǎn)換為平頂光束。放置在焦點(diǎn)位置的第二個(gè)元件（#2）通過(guò)平展波前（校正像差）來(lái)準(zhǔn)直平頂光束。因此，如圖4所示，準(zhǔn)直平頂光束可以以較小的強(qiáng)度變化傳播很長(zhǎng)的距離。
圖4雙單元非球面光束整形器。
光束整形掃描
使用X-Y振鏡和f-θ透鏡進(jìn)行光束掃描在廣泛的工業(yè)應(yīng)用中變得越來(lái)越重要，如電子或其他工業(yè)中的激光鉆孔、焊接、劃線、標(biāo)記和退火。波束成形通常與波束掃描系統(tǒng)相結(jié)合，如圖5所示。上述雙元件光束整形器可用于在光學(xué)掩模上照射準(zhǔn)直平頂光束。光束整形器前面的變焦擴(kuò)展器可以輕松調(diào)整輸入光束的直徑和發(fā)散度。輸出光束被掩模切斷，然后由遠(yuǎn)心f-θ透鏡在工件上成像，其尺寸在預(yù)定放大率下減小。遠(yuǎn)心f-θ透鏡的設(shè)計(jì)具有像側(cè)遠(yuǎn)心，即每束光束幾乎垂直于整個(gè)掃描場(chǎng)照射工作表面。盡管非遠(yuǎn)心透鏡通常具有更大的掃描場(chǎng)，但這種類型的透鏡是首選的高性能精密加工透鏡之一。由于整形器的輸出光束是平頂?shù)模赃m應(yīng)掩模的孔徑形狀，因此減少了激光束的截止損耗，并相應(yīng)地提高了能量利用效率。在另一方面，具有平坦強(qiáng)度的圖像光斑可以減少工件損傷。因?yàn)楦咚狗植嫉闹行姆逯祻?qiáng)度有時(shí)會(huì)在刻劃薄膜層時(shí)損壞工作基板。
圖5帶光束整形的掩模成像光束掃描系統(tǒng)。
圖6帶光束整形的無(wú)掩模光束掃描系統(tǒng)。
當(dāng)需要工件上成像點(diǎn)的形狀精度或邊緣銳度時(shí)，上述掩模成像型光束掃描最合適。然而，光學(xué)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，如果需要較小的光斑尺寸，它的放大率非常小，以至于掩模和工件之間有很長(zhǎng)的距離。因此，機(jī)器占地面積必須很大。無(wú)掩模（聚焦型）掃描系統(tǒng)可以與光束整形一起使用，而不是掩模成像。圖6示出了無(wú)掩模光學(xué)配置的示例，其比掩模成像配置更簡(jiǎn)單和更短。在這種情況下，我們可以應(yīng)用非聚焦光束整形單元，或長(zhǎng)焦深光束整形器。前者類似于上述波束重映射類型，其可以生成圖前者類似于上述的映射類型，可以生成圖2、圖3、圖7a-d所示中所示的各種波束形狀。后者具有較長(zhǎng)的聚焦深度，這意味著強(qiáng)度剖面的變化小于重映射類型。無(wú)論是前者還是后者，光束整形器本身都沒(méi)有任何焦點(diǎn)。無(wú)論選擇哪種類型的光束整形，整形器的輸出光束都不是收斂的，也不是平頂?shù)摹Ｖ钡焦馐趂-θ透鏡后會(huì)聚，一個(gè)成形的光斑才準(zhǔn)確地出現(xiàn)在透鏡的焦平面上。光束整形器和f-θ透鏡之間的距離是可變的。
圖7從a) - d)幾何光束映射整形器或e) - h)長(zhǎng)焦深光束整形器輸出光束的測(cè)量強(qiáng)度分布圖示例。
長(zhǎng)焦深光束整形器是一種衍射光學(xué)器件，其工作方式與幾何光束重映射光學(xué)器件不同。它將輸入光束分為+1階（略微收斂）和-1階（略微雙聚）光束。兩個(gè)相反或相反的光束仍在同一光軸上，由f-θ透鏡會(huì)聚并疊加在焦點(diǎn)上。由于兩個(gè)相干光束之間的光干涉，在那里出現(xiàn)了平頂光強(qiáng)分布。光斑形狀原則上是圓形或方形（圖7e–g），但當(dāng)增加入射光束尺寸時(shí)，平頂光束會(huì)變?yōu)榄h(huán)形光束（圖7h）。雖然邊緣輪廓的輪廓不像光束重映射得到的輪廓那么銳利，但可以實(shí)現(xiàn)更小的光斑尺寸和更長(zhǎng)的聚焦深度。
光斑大約是衍射極限的1.5倍，這很難通過(guò)重新映射獲得。長(zhǎng)焦距是光束整形器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。如圖8所示，光束傳播期間的強(qiáng)度變化小于圖2所示的重映射整形器的強(qiáng)度變化。隨著離焦，具有均勻強(qiáng)度的頂部區(qū)域慢慢消失，峰值強(qiáng)度逐漸增加，在這種情況下，在±1.6 mm離焦位置，峰值強(qiáng)度高達(dá)平頂?shù)?.7倍。這意味著聚焦深度是衍射受限光束瑞利長(zhǎng)度的1.5倍以上。
圖8 532 nm單模激光長(zhǎng)焦深光束整形器的強(qiáng)度變化。
應(yīng)該注意的是，光束整形器對(duì)輸入光束特性的變化非常敏感。入射光束的條件直接影響平頂光強(qiáng)分布，因?yàn)楣馐蔚脑O(shè)計(jì)原則基本上是入射光強(qiáng)分布的重新映射，如圖1所示。一旦入射光束偏離所需的位置、大小或高斯強(qiáng)度分布，平頂光束的均勻性就會(huì)降低。因此，注意激光模式質(zhì)量（M2）和光束參數(shù)的調(diào)整至關(guān)重要。還應(yīng)檢查在光束傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)光束漸暈或光學(xué)表面變形。對(duì)于光束整形，凈孔徑必須是1/e2光束直徑的兩倍。
結(jié)論
對(duì)于寬波長(zhǎng)范圍的激光器，可以實(shí)現(xiàn)高斯光束到平頂光束的轉(zhuǎn)換。幾何光束重映射方法通過(guò)使用非球面或衍射光束整形器實(shí)現(xiàn)平頂光束的各種光束形狀。掩模成像光束掃描與二元光束整形器相結(jié)合，輸出一束平行平頂光束照射孔徑掩模。在更緊湊的無(wú)掩模光束掃描系統(tǒng)的情況下，可以添加非聚焦光束整形單元或長(zhǎng)焦深光束整形器，以輕松地將高斯光斑轉(zhuǎn)換為平坦光斑。這些光束整形和掃描技術(shù)可廣泛應(yīng)用于激光材料加工領(lǐng)域，有望為未來(lái)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
來(lái)源：Laser Technik Journal - 2015 - Fuse - Beam Shaping for Advanced Laser Materials Processing，DOI: 10.1002/latj.201500011
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