介绍
在各个行业中，需要将激光束聚焦到具有均匀强度的明确定义的尺寸和形状（平顶）上。平坦的顶部可以对工作表面进行均匀的激光处理，并且无论脉冲能量如何，都可以保持相同的有效面积。此外，光点的尖锐边缘（狭窄的“过渡区域”）在已处理区域和未处理区域之间创建了清晰的边界。
平顶光整形器的典型激光应用包括：
- 裁切
- 烧蚀
- 打孔
- 划线
- 退火
- 医学和美学
- 显微镜和科学
- 光片细胞计数
本应用说明旨在帮助用户理解产品功能，并共享使用光束整形器原件时应考虑的注意事项。
操作原理
平顶（TH）光束整形器是一种光学元件，主要基于衍射技术（衍射光学元件– DOE），用于将高斯（TEM00）入射激光束转换成圆形，矩形，正方形，直线或其他自定义的定义好的形状。光束整形器应用中最经典的设置包括激光器，光束整形器元件，聚焦光学器件和待处理的表面。下图1显示了典型的平顶光设置。
图1：典型设置
每个光束整形器用一组特定的光学系统参数来设计：
- 波长
- 输入光束尺寸（D）
- 输出光斑尺寸（d）
注意：如果使用的这些参数的值超出了建议的窄公差范围，则会降低平顶光束整形元件的性能，并可能使其对应用无效。
设计注意事项
- 为了获得高质量的光束整形器性能，激光输出应为 单模 （TEM00），且 M2 值低于1.3。
- 光束路径中的所有光圈必须 至少 比光圈平面上的光束尺寸（1 / e 2）大2倍（> 2.5倍最佳）。通常包括平面镜（用于光束折叠或扫描），扩束器/望远镜和聚焦光学器件（镜头，物镜，F-Theta等）。
- 光束路径中的所有光学器件应具有高质量，即具有 低像差水平，以免增加波前误差并降低光束整形器性能。
- 输入光束要 准直。
- 在设计所需的输出平顶光尺寸时，熟悉术语“衍射极限（DL）”非常重要–这是最小光斑尺寸的物理光学极限，即如果从系统中删除了光束整形器的光斑尺寸。
- 根据经验，光束整形器的光斑尺寸 必须至少为下式定义的衍射极限光斑尺寸的1.5倍（对于M 2 = 1）。
衍射极限光斑尺寸的公式
其中：EFL –聚焦光学器件的有效焦距，λ–波长，D –输入光束尺寸，M2 –输入激光束的激光束质量参数
一般规格
| Materials 用料 | Fused Silica, ZnSe, ZnS, Germanium, Silicon, Plastics 熔融石英，硒化锌，硫化锌，锗，硅，塑料 |
| Wavelength range 波长范围 | 193nm to 10.6um |
| DOE design 能源部设计 | 2 – level (binary) to 16 – level, or kinoform (grayscale) 2级（二进制）到16级（或灰度）（灰度） |
| Polychromatic design 多色设计 | Continuous free form surface 连续自由曲面 |
| Type 类型 | Transmissive or Reflective 透射或反射 |
| Minimum Full angle 最小全角 | very small (about 1.5 times Diffraction Limit) 非常小（约为衍射极限的1.5倍） |
| Efficiency 效率 | Up to 99% 高达99％ |
| Element size 元素大小 | 3 – 150mm 3 – 150毫米 |
| Coating (optional) 涂层（可选） | AR/AR Coating 增透膜 |
| Custom Design 定制设计 | Any Shape 任何形状 |
光束整形器品质因数
一些基本规则：
- 平顶光束的尺寸不可能小于衍射极限光斑尺寸（DL）。
- 光束整形器的尺寸和DL之间的因数决定了光束整形器的质量和效率。较大的因子可以使边缘更锐利。
- 光束整形器的传输区域不能小于0.5 DL，通常约为1 DL。
具有相同DL尺寸的相同平顶尺寸的示例。随着DL尺寸的减小–成型质量提高，从而减少了“浪费”的能量。
质量由平顶的转移区域与平坦区域的比率定义。
通常，应用要求传输区域（13.5-90％）尽可能小，并且平顶轮廓必须具有最大的相对平坦尺寸，即均匀区域大小。因此，质量（Qth）参数定义为：
平顶（TH）和稳定平顶（ST）类型的比较
Holo / Or使用两种不同的概念来设计光束整形器。对于TH原件，我们使用半解析解决方案，并且仅限于直线，矩形，正方形或圆形等基本形状。
ST设计基于计算机辅助的数值优化设计，可用于实现任意形状和强度分布的轮廓。TH元件具有较大的转移区域，但与ST元件相比，散焦性能更好。与等效TH元件相比，ST元件的传输区域小两倍。
下面是典型TH / ST与等效设计叠加的比较图-例如，相同的光斑尺寸为90％。
光束整形器和多色光束整形器的比较
标准的光束整形器针对特定的波长进行了优化。使用其他波长将影响平顶光束的性能。如果客户的应用需要多色光源，则使用多色 光束整形器 通常是更好的解决方案。多色光束整形器可在很宽的波长范围内正常工作。但是，此产品的平顶光束尺寸和形状可能不太准确。
下表是标准光束整形器和多色光束整形器之间的比较表
| 类型 | 标准 | 多色的 |
| 波长依赖性 | 是 | 没有 |
| 材料 | 熔融石英，硒化锌，塑料 | 熔融石英，锗 |
| 平顶光束形状 | 任何 | 圆形，正方形，直线，矩形 |
| 效率 | >95% | >95% |
| 均匀度 | 通常<5％ | 通常<10％ |
| 平顶光束尺寸 | 非常精确 | 精确 |
| 平顶光束形状 | 非常精准 | 准确 |
| 平顶光束塑造质量 | 与波长无关 | 与波长成反比 |
| 平顶光束全角度 | 与波长成比例 | 与折射率成正比 |
多色光束整形器在 产品页面中，格式为 PT -123-ABC
平顶光束成形器的典型公差表
| 波长偏离设计 | ±2 % |
| XY 位移（偏心） | 输入光束直径的 ±5％ |
| 顶端，倾斜 | ±5 度 |
| 输入光束直径 | ±5％ |
| 输入光束椭圆率 | 5% |
| 工作距离（散焦） | <平顶光斑焦点尺寸的 50％ |
对准灵敏度和光束公差
光束整性原件对各种参数公差敏感。在设计包含衍射光学元件（DOE）的装置时，应注意确保这些系统参数的控制和稳定性。
平顶光束的许多输出规格取决于输入光束直径的相对位移和/或失配。因此，通过在设计之前扩展输入光束，可以使系统灵敏度降低。例如，对于直径为10mm的输入光束，5％的失配给出0.5mm的公差，而对于直径为2mm的光束，5％的公差仅相当于0.1mm。
公差对光束整形器的影响
对于放置在精确的标称工作距离平面内的，定位良好的完全对准零件，将获得最佳性能。为了说明光束整形器性能对不同公差参数的敏感性，此处包括了一些典型光束整形器元件的图形（WD：120mm，λ：532nm，Din：10mm）。
图4：输入光束的x轴或y轴偏心对平顶轮廓的影响
**值得注意的是，在上面的图4中由于偏心导致的“倾斜”平顶轮廓；即强度从点的一侧到另一侧的斜率。
图5：工作平面散焦对平顶轮廓的影响
**请注意，当平顶轮廓的位置距离太近（蓝色 曲线）而不是太远（紫色 曲线）时，其行为表现不同。在这两种情况下，均一性都会下降，而延长的距离会在平顶光束的光点外围出现狭窄的峰（像“狗耳朵”），而缩短的距离则会使输出更圆滑。
图6：输入光束尺寸公差对平顶外形的影响
**有趣的是可以注意到，在图6中产生了与图5非常相似的效果。太大的光束尺寸和更大的散焦之间存在明显的平行关系。“狗耳朵”的效果是相同的。
光束整形集成工具
Matlab:
Holo / Or发布了用于MATLAB的光束整形器集成工具。这项免费服务可为任何光束整形器提供强度分布。设计师可以自由选择自己喜欢的波长，输入直径，光斑大小和工作距离。这里提供一个链接，可以快速获得模拟设计的结果。
说明：
- 解压缩下载的文件。
- 将您的 MATLAB当前文件夹 更改为未压缩的文件夹。
- 在“命令窗口”中输入“ help TH”，然后单击“ Enter”。
- 请按照说明进行操作，以模拟您的自定义/标准平顶设计。
ZEMAX black box
We have published a tutorial for modeling a beam shaper in Zemax:
