基于非球面鏡的激光光束整形器原理及選型（Beam shaping based on aspheric lens）

來自德國耶拿的Asphericon公司提供三種創(chuàng)新的平頂光束整形器，可在所有激光應(yīng)用中發(fā)揮最大的性能，分別是TopShape、AiryShape和SqAiryShape?；诜乔蛎?a target="_blank">光學(xué)技術(shù)，這些模塊化組件可以將高斯光束簡單地轉(zhuǎn)化為各種圓形和方形的平頂激光光束輪廓。

激光光束整形器的輸入和輸出光束是可以自由擴(kuò)展的。它們的光譜范圍很寬（300納米至2500納米），可應(yīng)用于計(jì)量學(xué)、顯微鏡或材料加工。a|TopShape以及a|AiryShape和a|SqAiryShape可用于準(zhǔn)直激光器，也可用于光纖耦合光源。由于其緊湊的尺寸和精密非球面透鏡的使用，激光光束成形光學(xué)器件具有出色的光學(xué)質(zhì)量。由于其模塊化設(shè)計(jì)和非球面鏡的裝配理念，光束整形器可以快速連接到光學(xué)系統(tǒng)中，而無需進(jìn)一步調(diào)整。擴(kuò)束器易于使用，可以簡單地集成到現(xiàn)有的裝置中，或與額外的擴(kuò)束組件相結(jié)合。所有光學(xué)元件在高精度支架上的完美對(duì)準(zhǔn)，使平頂激光擴(kuò)束器能夠在光束路徑中完美定位。

a|TopShape

探索TopShape，一種創(chuàng)新的光束整形器，可以輕松地將準(zhǔn)直的高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)直的Top-Hat光束。這種激光設(shè)備以其非常緊湊的設(shè)計(jì)和無與倫比的光學(xué)性能（均勻性>90％）而令人信服。a|TopShape的光譜范圍大，可接受不同的輸入光束直徑，并能產(chǎn)生至少300毫米的穩(wěn)定光束輪廓。

現(xiàn)在還可提供a|TopShape長距離（LD）型，工作距離可達(dá)1.5米。

a|TopShape現(xiàn)在也有長距離版本。由于有效工作距離會(huì)隨著光束尺寸的減小而減小，因此a|TopShape LD特別適用于需要較小光束直徑的應(yīng)用。如果較低的光束輪廓均勻性足以滿足應(yīng)用要求，新的光束整形器甚至可以實(shí)現(xiàn)更長的工作距離。

a|TopShape的規(guī)格參數(shù)

(1)無與倫比的光學(xué)性能（均勻性>90%），沒有任何功率損失。

(2)光譜范圍大（350納米至2500納米），是多波長應(yīng)用的理想選擇。

(3)可接受不同的輸入光束直徑（± 10 %）。

(4)穩(wěn)定的光束輪廓（不均勻性<10 %）：a|TopShape用于至少300毫米，a|TopShape LD用于至少1米的長工作距離。

(5)總長度極短(89.6 - 93.6 mm)。

(6)輸入光束直徑MAX@ 1/e2 = 10 mm；輸出光束直徑MAX@ FWHM = 15.2 mm和15.7 mm之間。

(7)適用于最高激光功率的光束整形部件（根據(jù)要求定制涂層）。

(8)激光誘發(fā)的損傷閾值：12 J/cm2, 100 Hz, 6 ns, 532 nm。

a|TopShape的外殼尺寸

a|TopShape的性能

下面的數(shù)字顯示了在工作距離為100毫米時(shí)，通過14個(gè)表面（包括7個(gè)非球面）后測(cè)得的波前（左）和通過12個(gè)表面（包括6個(gè)非球面）后的光束輪廓（右）。所得到的波前誤差均方根值為0.05λ，對(duì)應(yīng)的Strehl（斯特列爾）值為0.9，證明了其非常高的光學(xué)質(zhì)量。由此產(chǎn)生的0.1的光束均勻性和0.4的ISO邊緣陡峭度強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

a|TopShapeLD的性能

a|TopShape LD的突出特點(diǎn)是傳輸距離長且穩(wěn)定。右圖顯示3000mm工作距離下的強(qiáng)度分布。它的特點(diǎn)是ISO光束均勻度為0.1。

波長范圍

涵蓋波長范圍|TopShape用于設(shè)計(jì)波長355,632和1064nm，以及|TopShape LD用于設(shè)計(jì)波長[nm] 355,405,632,780和1064nm。

平頂強(qiáng)度分布優(yōu)勢(shì)

光束整形在激光材料加工和顯微鏡等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。高斯分布通常用于激光應(yīng)用。它們?cè)趶?qiáng)度分布上有弱點(diǎn)。使用均勻的強(qiáng)度分布，即所謂的Top-Hats，可以獲得比使用高斯分布更好的結(jié)果。例如，它們能使激光束的邊緣陡度很高，從而提高切割邊緣的質(zhì)量，或者獲得均勻的照明。受益于您的應(yīng)用的輕松處理!利用非球面光束整形器將高斯激光輪廓轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直或聚焦的平頂強(qiáng)度分布。

a|TopShape應(yīng)用示例

如果基于不均勻照明的高斯光束輪廓，基于激光的廣域熒光顯微鏡的定量分析可能非常具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，使用a|TopShape可以提供幫助。將顯微鏡裝置中的高斯光束轉(zhuǎn)換為均勻的平頂輪廓，可確保顯微鏡載玻片的均勻照明，從而使圖像更容易識(shí)別。
在CREOL的一篇I. Khaw等人的論文中了解更多關(guān)于a|TopShape在寬場(chǎng)熒光顯微鏡中的使用，可以在這里下載：https://www.asphericon.com/fileadmin/user_upload/PDFs/Flat-field_illumination_for_quantiative_fluorescence_imaging_Han_Fuchs_2018.pdf

基于激光的顯微鏡設(shè)置，使用ashericon的a|TopShape和a|BeamExpander進(jìn)行均勻照明

左邊是傳統(tǒng)系統(tǒng)（高斯光束）在FFI下的無邊界縫合圖像，右邊是a|TopShape（同質(zhì)性>95%）的縫合圖像。

a|AiryShape

另一個(gè)針對(duì)波長從300納米到1600納米優(yōu)化的光束整形器是a|AiryShape。這種光束整形元件與聚焦透鏡結(jié)合使用，可將準(zhǔn)直的高斯光束轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌木劢构馐喞ㄈ鏣op-Hat、Donut）。由于其緊湊的設(shè)計(jì)，a|AiryShape可以很容易地集成到現(xiàn)有的設(shè)備中。

a|AiryShape的規(guī)格

產(chǎn)生不同的光束輪廓

剖面尺寸可通過焦距輕松擴(kuò)展

針對(duì)300納米到1600納米的波長進(jìn)行了優(yōu)化

易于集成到現(xiàn)有設(shè)備中

通過高精度安裝實(shí)現(xiàn)完美對(duì)準(zhǔn)

緊湊型設(shè)計(jì)

輸入光束直徑@ 1/e2 = 10 mm；輸出光束直徑dAiry = 10 mm

激光誘發(fā)的損傷閾值：12 J/cm2, 100 Hz, 6 ns, 532 nm

a|AiryShape的尺寸

a|AiryShape的性能&靈活性

在下圖中，沿其傳播方向（Z軸）的歸一化光束剖面圖被總結(jié)為一個(gè)圖。檢測(cè)范圍是腰部位置周圍的±1.5毫米。此外，在不同的工作平面上，相應(yīng)的最有趣的強(qiáng)度剖面被顯示為二維和橫截面圖。這兩張?zhí)卣鞴馐喞獔D都是用a|AiryShape（λ=635納米）生成的。根據(jù)a|AiryShape的工作原理，不僅可以在聚焦透鏡的焦平面上生成一個(gè)Top-Hat光束輪廓，而且還可以在不同的工作距離上生成各種輪廓，以獲得靈活性。所示光束輪廓的生成取決于輸入光束的質(zhì)量。為了達(dá)到最佳效果，需要一個(gè)完美的準(zhǔn)直光束，并使波前畸變最小化。

a|AiryShape的波長范圍

基于BeamTuning元素，AiryShape涵蓋了一個(gè)廣泛的波長范圍，以滿足您的挑戰(zhàn)性應(yīng)用。

a|AiryShape應(yīng)用示例

除了優(yōu)化激光和加工參數(shù)外，焦點(diǎn)強(qiáng)度分布的調(diào)整為激光材料加工的高精度結(jié)果提供了巨大的潛力。asphericon與位于耶拿的Otto Schott材料研究所（OSIM）合作，分析了用a|AiryShape生成的各種定制強(qiáng)度分布，以確定其是否適合用飛秒激光器進(jìn)行微納米尺度的材料加工，如切割、打標(biāo)和生成激光誘導(dǎo)的周期性表面結(jié)構(gòu)。所有結(jié)果均可在A. M?hl等人的論文中下載：https://www.asphericon.com/fileadmin/user_upload/PDFs/Tailored_focal_beam_shaping_and_its_application_in_laser_material_processing.pdf

左邊是用傳統(tǒng)系統(tǒng)（高斯光束）生成的鋼槽狀結(jié)構(gòu)，中間和右邊是用光束整形器a|AiryShape生成的（左邊是面包圈輪廓，右邊是Top-Hat）。

a|SqAiryShape

想在焦點(diǎn)中創(chuàng)建方形的Top-Hat輪廓？有了a|SqAiryShape就沒問題了。asphericon最新的光束整形器與聚焦透鏡相結(jié)合，從準(zhǔn)直的高斯光束中產(chǎn)生不同的方形聚焦光束輪廓（如Top-Hat, Donut）。這種光束整形器在300納米到1600納米的波長范圍內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化，其緊湊的設(shè)計(jì)（只有17.3毫米長）也給人留下了深刻的印象，可以很容易地納入現(xiàn)有的應(yīng)用設(shè)置中。它的工作距離可根據(jù)所使用的聚焦透鏡而大大縮短。將一個(gè)qAiryShape與一個(gè)200毫米焦距的鏡頭和一個(gè)擴(kuò)束器結(jié)合在一起，已經(jīng)將總長度減少了25%。

a|SqAiryShape的規(guī)格

產(chǎn)生不同的方形光束輪廓

剖面尺寸可通過焦距輕松調(diào)整

對(duì)300納米到1600納米的波長進(jìn)行了優(yōu)化

易于集成到現(xiàn)有設(shè)備中

通過高精度安裝實(shí)現(xiàn)完美對(duì)準(zhǔn)

輸入光束直徑@ 1/e2 = 10 mm；輸出光束直徑dAiry = 10 mm

激光誘發(fā)的損傷閾值：12 J/cm2, 100 Hz, 6 ns, 532 nm
a|SqAiryShape的尺寸

a|SqAiryShape的性能和靈活性

下圖顯示了a|SqAiryShape（λ=1064nm）的光束輪廓截面，以及它在不同工作平面上的強(qiáng)度輪廓。由于a|SqAiryShape的工作原理，在焦點(diǎn)區(qū)域不僅產(chǎn)生了一個(gè)方形的Top-Hat輪廓，而且產(chǎn)生了各種具有四重對(duì)稱性的輪廓。從a|SqAiryShape生成的所有顯示的光束輪廓都取決于輸入光束的質(zhì)量。為了獲得最佳結(jié)果，需要一個(gè)完美的準(zhǔn)直光束，并使波前像差最小化。

a|SqAiryShape的波長范圍

基于BeamTuning元素，a|SqAiryShape涵蓋了一個(gè)廣泛的波長范圍，以滿足您的應(yīng)用需求。

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審核編輯 黃昊宇