1 引言

激光器自1960年问世以来,输出波长不断拓展,性能持续提升。一般情况下,激光输出光束强度分布为近高斯函数,但是在激光抽运、材料加工、光学信息处理^[1]、光捕获及操纵^[2-3]等诸多领域,都需要对激光的强度进行重新调制以获得期望的空间分布,如将高斯光束整形为平顶光束、空心光束等,或通过调整光束的相位分布来控制传播路径,实现激光空间整形。

目前,常用的光束整形方法可分为3种。第1种是采用滤波的方法,这种方法虽然原理、操作都较为简单,但会损失入射光的大部分能量;第2种是光场映射的方法,通过控制入射光场与目标光场的映射关系实现光束整形,常见的非球面透镜组^[4-5]、双折射透镜组^[6]、衍射光学元件^[7]等都属于该方法,这种方法多应用于单模激光光束的整形;第3种是光束积分法^[8],在这种方法中,入射光束经阵列元件分割后再经透镜等积分元件在目标面叠加,与其他方法相比,这种方法最突出的特点是对波长不敏感,可用于非稳定、多模光场模式整形。对于部分相干光源,采用光束积分法能够得到较为理想的整形效果。1979年,Ream等^[1]首次提出光束积分的概念,对CO₂激光进行分割、调制、叠加后实现了光束整形,并对钢铁表面进行硬化,该方法在理论、制造及实验等方面得到了迅速的发展。近年来,光束积分法的研究一直围绕两个方向进行:1) 优化设计结构,降低元器件要求与简化装调工艺;2) 消除目标面处光束因子叠加产生的干涉条纹。常用的光束积分方法可按照所使用的器件进行分类,如棱镜阵列、反射镜阵列、微透镜阵列(MLA)等,本文将具体介绍上述几种光束积分方法,给出典型光路,并分析各自的特点和适用范围。

2 光束积分法的基本原理

当入射激光模式不确定或随时间变化时,采用针对确定光束整形的场映射方法一般无法获得所需的光强分布,此时采用光束积分法会得到更为理想的效果。因此光束积分法特别适用于准分子激光器、激光二极管阵列、多模或光强分布不规则的激光光源。

光束积分法中“积分”的概念来源于出射光斑图样是许多细光束在目标面的叠加总和。一个光束积分系统一般由两部分组成:1) 一个或多个多孔径阵列元件,这部分元件可以将入射光束分割为细光束阵列,元件采用反射式还是折射式可根据实际需求选择;2) 将细光束重排或聚焦到目标面的积分元件。

计算整形后的目标面光场时,一般假设每个子孔径上输入光束的振幅、相位分布均匀且认为光束阵列之间是完全空间相干的,目标面的光强I(x,y)可看作各孔径衍射光的相干和,其表达式为

I(x,y)=∑Amnexpik(αmx+βny)+θmn2F(x,y)2,(1)

式中:A_mn、θ_mn分别为经坐标为(m,n)的孔径出射光束的振幅与相位;α_m、β_n分别为目标场中心与元素透镜中心的方向余弦;F(x,y)为单个反射或折射式孔径产生的衍射积分;(x,y)为坐标;k为波数。(1)式适用于各种光束积分法的理论分析研究。

3 棱镜阵列方法

日本钢铁公司的Yamaguchi等^[9]发明了利用多棱镜阵列实现光束整形的方法,并将其应用到半导体激光器线阵的整形中。棱镜阵列如图1(a)所示,使用时将线阵的发光单元与单个棱镜一一对应,光束被分割旋转重排,以达到改善光束质量的目的。这些棱镜将每束光旋转90°,从第1个棱镜入射的光束在相邻的第2个棱镜出射,因此,设计中需保证棱镜数目比发光单元数多2个。其单个棱镜的结构如图1(b)所示,π₁、π₂,σ₁、σ₃,σ₂、ρ分别为棱镜的前后、左右及上下表面,光束以0°入射角入射至平面π₁,依次在σ₁,σ₂和σ₃上反射后被旋转90°,从平面π₂垂直出射。使用的线阵共有12个发光单元,每个发光单元的尺寸为200 μm,发光单元之间的周期为800 μm,经棱镜阵列快慢轴准直后光斑尺寸为184 μm×205 μm。棱镜阵列整形方法与Yamaguchi等^[10]提出的渐变折射率透镜(GRIN)阵列整形方法相比,由于增加了额外的4个光学透射面和3个反射面,耦合效率降低,但输出激光功率密度提高了约18倍。

图 1. 棱镜阵列整形原理。(a)棱镜阵列及半导体激光器线阵经棱镜的光束转换;(b)单个棱镜结构

Fig. 1. Principle of prism array shaping. (a) Prism array and transformation of beams emitted from LD bar; (b) structure of single prism

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对于折射式棱镜,由于材料色散的存在,光线在棱镜内的偏折角度与激光波长密切相关。此外,由于光束质量在传输时会受到棱镜材料缺陷和光谱偏移的影响,因此整形系统的效率和功率密度难以提高。2005年,Zheng等^[11]提出利用反射式的双棱镜阵列对半导体激光器叠阵进行整形。此系统由2组反射棱镜组成,单棱镜的结构如图2所示。根据需整形的叠阵参数(线阵数量,叠阵周期)、光学系统参数(光线入射角β,棱镜间距s,快轴方向的偏移量与慢轴方向的被分割数n)、目标光参数积(BPP)和输出功率可以确定阵列中单个棱镜的基本参数值l_x, l_y,α_x,α_y。数值模拟表明,能够将准直后水平、垂直两个平面上激光光束参数积因子为B_s=135 mm·mrad,B_f=4 mm·mrad的半导体叠阵整形为B_s=47.3 mm·mrad,B_f=5.4 mm·mrad的光束。

图 2. 单棱镜结构

Fig. 2. Structure of single prism

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为尽量降低对棱镜加工与装调的要求,2013年,Huang等^[12]利用2组交错棱镜阵列和1组反射镜阵列进行光束整形。对于由N个发光单元组成的半导体激光器叠阵,整形棱镜阵列1由长度按等差排列的N/2个棱镜组成,它将光束沿慢轴方向分割为N/2份,并利用棱镜的倾角对快轴方向进行压缩;棱镜阵列2由N/2+1个2种长度交替排列的棱镜组成,其中2个相邻棱镜的边界与阵列1中的棱镜平分线重合,如图3所示,光束经过阵列2后完成了二次分割,将慢轴光束分割为N份。分割后的光束入射到由N个棱镜组成的反射阵列,并且通过在快轴方向线性重排来完成整形过程。实验结果表明,整个方案将被准直后的B_s=240mm·mrad,B_f=5mm·mrad叠阵光束整形为B_s=30 mm·mrad,B_f=34 mm·mrad的光束。与其他将光束分成相同数量的棱镜阵列相比,这种交错式的排列方式可以增加单个棱镜厚度,在制造与组装上具有一定优势;同时,对快轴方向的压缩进一步提高了整形后的光束质量。

图 3. 交错棱镜整形原理。(a)交错棱镜阵列整形装置示意图;(b)整形原理的侧视图及俯视图

Fig. 3. Shaping principle of staggered prisms. (a) Diagram of staggered prism array shaping device; (b) top view and side view of shaping principle

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图 4. 单棱镜组光束整形原理

Fig. 4. Principle of beam shaping with single prism group

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这种由多个棱镜组阵列组成的整形系统仍会给装调带来很大的困难,它需要很高的光学元件同轴度和装调精度。2016年,Wu等^[13]利用光束在棱镜内部的全内反射特征,使用单棱镜组对光束切割重排,以进一步简化系统结构。整个光学系统大致可分为3部分,第1部分采用偏振复用技术以提高系统的输出功率;第2部分由8组高度递增的棱镜组成整形系统,其中每组棱镜由3个子棱镜组成,单组棱镜的整形原理如图4所示,整形后光束B_s、B_f分别由65 mm·mrad,13.5 mm·mrad改变为21 mm·mrad,14·mm·mrad;第3部分在光路中加入了一对柱透镜来提高光纤耦合效率,在维持光束发散角前提下保证光斑在快慢轴方向上具有相同的尺寸。实验中,此整形系统最终将2个640 W的半导体激光器叠阵耦合到直径为600 μm、数值孔径为0.22的光纤中,总输出功率达1056 W。

2015年,Shi等^[14]利用在光谱仪光纤光源和狭缝间增加适当的光束整形系统(BSS),提高了光通量。该BSS系统由2个变形透镜和棱镜阵列组成,利用半导体激光器的逆整形思路实现光通量的提升,原理如图5(a)所示。椭圆光束经棱镜阵列分割重排后由圆柱形透镜组聚焦,实现了与入射光斑具有相同发散角的椭圆光斑,这样在通过光谱仪狭缝时,可有效降低能量损失,增加光谱强度,见图5(b),图中FWHM为光斑的半峰全宽。

图 5. 光谱仪中使用的光束整形系统。(a)光束整形原理图;(b)使用和未使用整形系统时的光谱强度

Fig. 5. Beam shaping system used in spectrometer. (a) Schematic of beam shaping; (b) spectral intensities with and without shaping system

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除了用于半导体激光器的光束整形外,棱镜阵列在其他光源的整形中也有着广泛的应用。2013年,Kagoshima等^[15]报道了利用棱镜阵列对SPring-8同步辐射源中BL24XU线站X光束进行预聚焦的实验。结果表明,当在光束水平和垂直方向都加入棱镜组时,入射光束尺寸由655 μm×679 μm减小到365 μm×133 μm,光通量增加了约3倍。2017年,Zheng等^[16]将半无源定位跟踪紧密排列的棱镜阵列集成在太阳能激光器中,使日平均光能利用率由51%提高到67.7%。

此外,棱镜中的轴棱锥自身具有分割光束的作用。2016年,Tsuji 等^[17]使用负透镜和正轴棱锥开发了一种用于激光雷达的3D照明系统,如图6所示。轴棱锥将高斯光束分割为均匀的两部分, 并且在垂直于光轴的平面上沿相反方向传播,实现非相干叠加,形成了用于照明的平顶光束。通过改变负透镜焦距及轴棱锥锥角,所设计的光束整形系统可在1~1000 m的传输距离范围内实现目标面光照度标准偏差为0.004的均匀照明,并以单模光纤激光器为光源进行了实验验证。Zhou等^[18]利用含二面角误差的角锥棱镜阵列完成对反射光束的均匀发散,实现了激光光束对远距离探测器的覆盖。当角锥棱镜存在二面角误差时,按原方向返回的光束被分解为6束强度均匀分布且中心近似位于同一圆环上的子光束,形成环形的发散光斑,同时光斑的角向均匀性也会随着传输距离的增加而增加。为解决反射光束均匀发散的问题,提出使用具有相同结构参数、不同方位角分布的角锥棱镜组阵,实现远场光斑强弱互补,获得均匀发散的环形反射光斑。

图 6. 利用轴棱锥及透镜实现光束整形

Fig. 6. Beam shaping with prism and lens

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基于棱镜阵列的方法是原理最为简单且结构固定的光束积分方法,一般情况下仅使用几何光学工具就可以完成整形光学结构的设计,并且使用单组棱镜就可以达到多组反射镜的效果,有利于减小整形装置的尺寸和复杂程度,因此被广泛应用于条码扫描器、抽运固体激光器的激光二极管整形中。但这种方法对棱镜的加工精度和对准精度要求很高,导致装配困难;此外,这种方法只能针对特定的输入光束进行整形,导致该方法适用范围窄、灵活性差。

4 反射阵列方法

早在19世纪80年代,研究者们就开始将反射式光束积分系统应用于光束匀化处理^[19-22]。1985年,Dagenais 等^[22]提出将一系列小反射平面镜放置在一段椭圆弧上,入射光经抛物镜反射,这可看作由椭圆的焦点F入射,经反射平面镜阵列反射后,在过共轭焦点F'的焦平面上实现均匀照明,如图7所示。分别以非稳腔产生的高度空间相干的单横模激光光束,稳定腔产生的低空间相干的多横模激光光束作为光源进行实验,发现多模光束的匀化效果更好,证明了反射式积分系统在相干度较差的光束匀化方面具有优势。

图 7. 反射阵列光束整形原理

Fig. 7. Beam shaping principle of mirror array

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1997年,德国夫琅禾费研究所Ehlers等^[23]提出了阶梯反射镜光束整形法,通过将入射光束按照反射镜镜面尺寸进行分割、旋转、重排等处理,实现2个方向上光束质量的有效平衡。该方法包括2组完全相同的阶梯反射镜。第1组阶梯镜中每个镜面与慢轴均成45°,相邻镜面在光束传播方向上相距常数d。第2组阶梯镜与第1组类似,且2组阶梯镜一一相对。当准直光束入射到第1组阶梯反射镜时,光束沿慢轴方向被分割为n份,经第2组反射镜后,被反射到快轴方向,从而将线状光束斑整形为矩形光斑。基于阶梯反射镜方法的光束整形装置一般结构稳定,对半导体激光“Smile”效应不敏感,易于调整集成。2007年,nLight公司在阶梯反射镜的基础上提出了垂直堆栈法,将半导体单管按高低顺序焊接到热沉上,对各单管进行快慢轴的准直,合束后进行聚焦。这种方法进一步简化了结构,但反射镜阵列在装配时容易发生变形而影响整形结果。

随着半导体集成电路微加工技术和超精密机械加工技术的进步,微机电集成系统(MEMS)得到了很大的发展,数字微镜器件(DMD)也因此得到了广泛的应用。DMD最早是由Hornbeck于1987年发明的,它是一种基于半导体的快速反射数字光开关阵列器件,使用二进制脉宽调制技术精确控制光束的波前,并与图像处理、存储器、光源和光学器件组合以形成能够投影大尺寸、明亮、无缝、高对比度的数字投影技术(DLP)系统^[24]。

DMD通过互补金属氧化物半导体(CMOS)存储器上的类CMOS工艺单片制造。每个光开关上有一面正方形铝镜,反射镜和下面的存储单元之间通过静电吸引可实现反射镜2个方向的旋转,其中一个方向可将入射光反射到目标面,另一个方向可将入射光反射到吸收面,如图8所示。当存储器处于1(开)状态时,反射镜可旋转到10°,当存储器处于0(关)状态时,反射镜可旋转到-10°,所以可通过计算机实时控制镜片执行机械运动来实现光束整形,并且结合光学薄膜工艺,可以拓展DMD器件的光谱适用范围^[25]。研究人员已将DMD引入光束整形技术中^[26-28],图9为2015年Ding 等^[28]利用DMD将高斯激光束整形为超高斯“平顶光束”的实验装置示意图。计算机生成DMD加载图案,氦氖激光准直扩束后通过DMD调制,经聚焦、滤波后由CCD测试、记录。

图 8. 两个DMD像素示意图

Fig. 8. Diagram of two DMD pixels

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图 9. 实验装置示意图。(a) He-Ne激光器经DMD整形光路图;(b)输入光束的二维及一维强度分布; (c) DMD的反射模式分布;(d)理想超高斯光束的强度分布

Fig. 9. Diagram of experimental setup. (a) Optical path diagram of He-Ne laser shaped through DMD; (b) 2D and 1D intensity distributions for input beam; (c) distribution of DMD reflection mode; (d) intensity distribution of ideal super-Gaussian beam

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同时,DMD也被应用在局域空心光束整形中。1987年,Durnin^[29]首次提出局域空心光束的概念,光束在自由空间传输时,与传播方向垂直的平面上光场分布不随距离而发生变化,所以又称为无衍射光束。与传统的高斯光束相比,空心光束具有更大的工作范围,更小的球差^[30],所以被广泛应用于光学微操作、原子光学^[31]等领域。目前已有科研人员使用DMD产生并控制了贝塞尔^[32]、胶囊状^[31]等适用于光镊系统的光束,实验结果表明,空心光束形成的光阱对微粒的操控能力优于普通高斯光镊,但DMD也存在着能量利用率不高的问题。

类似于DMD结构,研究人员也开发了基于微反射镜阵列(MMA)^[33]的光束整形方法。荷兰阿斯麦(ASML)公司将基于MMA的可编程照明装置 (FlexRay)^[34-36]应用于NXT系列光刻机的曝光系统中,达到变换照明模式并产生特定照明光瞳分布的目的。FlexRay照明装置中,数千个偏转微镜可在-10°~10°二维角度范围内连续偏转,从而调节重构光源的光强分布。通过改变偏转微反射镜的角度方向改变光瞳中反射光斑的位置,从而在目标面上重构预设的照明光瞳。图10中以4个反射镜为例说明MMA的工作原理,左、右图分别表示反射镜未旋转时和部分反射镜发生旋转后的光斑。与传统通过衍射光学元件(DOE)来重构光源的掩模优化技术(SMO)相比,基于MMA的整形照明装置可以按照设计要求生成任意光强分布,有效地扩大了光刻工艺窗口,提高了照明光源的灵活性,并且缩短了设计周期,降低了设计成本^[37]。当光刻工艺进入65 nm以下节点时,为达到所需的重构光源精度,需要不少于10000个微反射镜单元,这会给MEMS的集成和驱动电路的制作带来困难,因此近几年研究人员都在致力于设计一种减少微透镜数量而不影响重构光源精度的照明变换系统。2015年,邢莎莎等^[37]在MMA重构前将光束整形为具有特定非均匀光强分布的光束,实现了减少所需微反射镜数量的目的。实验中,采用柱面复眼透镜对光束进行预整形,一对垂直于Y方向的柱面复眼透镜产生Y方向上均匀的光强分布,一个X方向柱面复眼透镜产生X方向平顶高斯光强分布,由此将微反射镜的数量减小至4000,满足了重构SMO优化后的像素级光源系统设计要求。除此以外,通过优化MMA控制算法也能进一步提升光束整形效果。2014年,杜猛等^[38]提出了基于随机化思想的MMA单元镜X、Y方向偏转角度控制算法,仿真分析了单模、多模高斯光束整形的效果,得到了信号窗内光强的不均匀度、均方差均满足要求的整形光束。这项工作证明微镜数目增加时,光束整形质量明显提高,并且合适的算法也对噪声具备一定的抑制作用。

DMD和MMA装置都能够实现对光束空间及相位的高速调制^[39-40],相比较而言,DMD对光束调制的帧速率允许在1 kHz数量级,光学效率在5%左右;MMA具有高达1 MHz数量级的帧速率,且在最新的报道中光学效率已达19.1%。

图 10. 基于4个反射镜的FlexRay光束整形

Fig. 10. Flex Ray beam shaping based on four mirrors

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目前,利用DMD、MMA反射式积分元件构成的光束整形系统是发展的主趋势。这2类元件都可通过实时控制微镜单元的偏转角度来产生期望的光强分布,并可通过增加微反射镜数量提高重构光源精度,具有较快的响应速度与较高的可靠性。

5 MLA方法

Yamaguchi 等^[10]于1992年利用渐变折射率透镜(GRIN)阵列将LD bar光束分割准直聚焦并用于抽运Nd∶YAG激光器。此方法由于未进行子光束重排处理,光束均匀性未得到显著提升,但由于减少了慢轴方向的拉格朗日不变量,所以整形后光束质量得到提升。这可认为是透镜阵列光束整形的最早实例。2011年,贾文武等^[41]将MLA用于LD叠阵整形,由于MLA破坏了LD叠阵中各子光束之间光场分布的相似性,且保证分割后的光束以非相干形式叠加,最终实现了匀化的目的。以光斑中强度最大值和最小值的差值与均值的比来衡量整形光斑的不均匀性,并得到不均匀度为9%的光斑强度分布,整形结果明显优于GRIN阵列获得的结果。2014年,Qiao等^[42]利用椭圆MLA、GRIN及聚焦透镜组成的光学系统对LD叠阵光束进行了准直与聚焦,并将其耦合入光纤,如图11所示,MLA与GRIN的相互配合使光束耦合到光纤的效率提高了3.44%。此外,MLA因其具有较高的损伤阈值(一般可达到20 J/cm²)被应用到惯性约束核聚变(ICF)装置中,以实现均匀度极高的靶面辐照。Lin等^[43]以高功率多模光纤激光器阵列作为ICF光源,使用单个MLA对其匀化得到光强均方差小于4%的匀化光斑。

图 11. 整形及聚焦系统

Fig. 11. Shaping and focusing system

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2000年,Dickey等^[44]将MLA系统划分为如图12(a)与12(b)所示的非成像和成像结构。非成像积分器由单组MLA和积分透镜组成,目标面上的光场分布为光束经N个单透镜衍射后的干涉叠加;成像积分器由2组MLA和积分透镜组成,在2组微透镜中,前组任意一个微透镜与后组中对应位置处的微透镜组成一个通道,并且每一通道中2个微透镜的参数完全相同,且通道长度恰好等于微透镜的焦距。对非成像型积分器而言,入射光束角度的改变会引起目标面处光斑的移动,此时成像型积分器的第2组MLA会对光束有一定的校正作用,从而改善了积分器的匀化性能。

图 12. MLA系统结构示意图。(a)非成像MLA一维结构图;(b)成像MLA一维结构图

Fig. 12. Structural diagram of MLA system. (a) One-dimensional structure of non-imaging MLA; (b) one-dimensional structure of imaging MLA

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研究者们基于微透镜匀化的基本原理,不断建立和完善MLA光束整形分析模型。2002年,Büttner 等^[45]从傅里叶光学的角度出发,建立了非相干光源经微透镜的传输模型,引入无量纲参数ρ表征非相干光源LED空间分布对微透镜匀化效果的影响。结果表明,当微透镜数值孔径NA为定值时,增大ρ与光源光谱宽度,可抑制目标面处的干涉效应,提高光斑均匀度,并且成像型MLA能够实现比非成像型更好的匀化效果。这个模型结果与实验结果基本一致,实验中也发现微透镜像差小于0.06个波长时可实现良好的整形效果。2012年,Lim 等^[46]采用有限时域差分法(FDTD)建模分析了光束通过微光学系统的传输过程,并且实验验证了距焦平面不同距离处的光强分布情况,验证了模型的正确性。此外,分析表明受衍射极限的影响,随着微透镜数值孔径的增大,整形后光斑尺寸减小,光强最大值也相应降低。由于此模型准确度比较高,在激光精密工程及成像方面得到了广泛的应用。2013年,殷志勇等^[47]分析了非准直光束入射下MLA匀化性能的变化,不同角度并具有一定发散角的光束入射时,当入射角超过微透镜孔径角匹配范围时,在目标面上会出现严重的副瓣,影响光斑均匀性,由此确定了发散光束入射时微透镜数值孔径的选取范围。

此外,研究者们也根据几何光学规律对光线在MLA中传播的规律及性质进行了系统的像差分析和优化设计。2005年,Schreiber等^[48]从矩阵光学的角度分析了MLA数值孔径值及傅里叶透镜对光斑匀化尺寸和系统像差的影响,指出大数值孔径MLA可有效缩短整形系统长度,但同时也增大了出射光斑的发散角,使系统在远距离照明时应用受限。2015年,Wang 等^[49]建立了MLA系统在光线追迹理论中的计算模型,并且基于统计学思想将光束光强分布和追迹光线密度相关联,通过追迹不同强度分布的入射光束传输过程,分析了入射倾斜角度、观测面离焦距离及微透镜中单个透镜孔径对匀化特性的影响。

为降低利用MLA整形时目标表面干涉条纹的对比度,2007年,Wippermann等^[50]提出了一种破坏常规MLA周期结构的非周期型啁啾MLA。作者在文中分别展示了周期型非成像、成像型MLA及啁啾MLA的单透镜衍射和多缝干涉图像,如图13所示。仿真结果表明,经特殊设计的楔形非周期MLA由于出射子光束的相位差产生特定的干涉图样,从而提高了目标面处光斑的均匀性。2014年,Deng等^[51]以双面MLA^[52]设计思想为基础,设计了两侧具有一定旋转角度的双面MLA,使用波长为632.8 nm的单模氦氖激光器作为光源,证明了当阵列两侧旋转角度为60°时,干涉条纹可见度达到最小值。图14显示了激光经双面MLA后的输出图案及相对横截面光强分布,整形后的光束接近平顶,且光斑FWHM为6.8 cm。随着镜片加工工艺的进步,研究者们将自由曲面及其微阵列应用于光束整形技术。2016年,Chen 等^[53]以准直激光为入射光源,通过能量网格划分法,建立了入射光源和目标平面的能量映射关系。在此基础上,针对单个能量网格,根据预设目标辐照值,设计了微型自由曲面透镜,将微透镜紧密排列,构成了MLA整形系统。该方法的系统空间均匀度和能量利用率非常高,但结构复杂,制作成本高。

图 13. 三种MLA结构及其整形效果比较

Fig. 13. Comparison of configurations and shaping effects of three types of MLA

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图 14. 整形后光斑及横截面光强分布。(a)输出光束的二维强度分布;(b)输出光束的一维强度分布

Fig. 14. Shaped light spot and cross-sectional light intensity. (a) 2D intensity distribution of output laser beam; (b) 1D intensity distribution of output laser beam

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微透镜的发展,在很大程度上依赖于光学微加工技术的进步,所以微透镜的另一重要研究方向集中于微光学制作工艺的开发。在实际应用中,为满足更多需求和更高精度要求,需不断完善已有工艺,提出新工艺,寻找更适合的材料。目前,微透镜的加工工艺大致可分为两类。一类为掩模光刻技术,如灰度掩模法^[54]等。为提高MLA的灵活性并提高光能利用率,2007年,Yang等 ^[55]采用精确控制光束能量密度分布的灰度光刻工艺在PET薄膜上制作了具有接近100%填充因子的高质量非对称六角形微镜(HML)。2017年,Zuo等^[56]通过类CMOS工艺制作了镜头尺寸几微米到几百微米的凸透镜阵列。制作过程可分为两部分:1) 制作周期分布的Si模板,如图15 (a)~(d)所示;2) 氢化非晶硅(a-Si∶H)的沉积,如图15 (e)~(f)所示。此方法制作的MLA经扫描电镜(SEM)和聚焦离子束(FIB)测试后具有较高的表面质量,并可实现100%的填充率。另一类为无掩模光刻技术,如电子束刻蚀^[57]、聚焦离子束技术^[58]等。2013年,Saito 等^[59]基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜在负压作用下形变的性质,提出利用质子束刻写(PSM)技术加工微透镜的方法,为制作MLA提供了新的思路。2016年,Huang 等^[60]使用DMD无掩模单次扫描光刻技术结合表面热回流工艺制造了非球面微透镜,该方法可以充分保证微元件外形轮廓,且制作成本低,效率高。

MLA以其质量小、体积小、便于集成等优点已应用到诸多光束整形领域。随着微光学技术的发展,MLA加工工艺已日趋成熟。目前MLA光束整形技术研究正朝着目标面干涉图样不均匀性不断降低,加工工艺与流程不断简化的方向发展。

图 15. 微透镜制作过程示意图。(a)~(d) Si模板制造过程;(e)~(g) a-Si∶H沉积

Fig. 15. Schematic of micro-lens fabrication procedure. (a)-(d) Silicon template fabrication; (e)-(g) a-Si∶H deposition

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6 结束语

目前,随着基础理论研究、计算机模拟及设计手段的进一步完善,光束积分法向着整形系统微型化及集成化方向发展,具有非常好的研究与应用前景。然而,在很多复杂系统中,单独使用光束积分法并不能实现良好的激光整形,需要配合其他方法一起使用,以构成完整的整形系统。在常见的几种方法中,使用棱镜阵列对光束整形的原理较为简单,但棱镜的制造加工与装调必须满足严格的公差和精度要求,并且使用过程中由于其形状大小并不固定,难以进行大规模的自动化生产、推广;DMD及MMA使用方便、高效,可实现任意光束的整形,但较高的制作成本也成为了制约市场推广的重要因素;MLA整形系统在理论分析、整形质量及加工制造等方面都已趋向于完善,在激光焊接、切割、打孔等材料加工、惯性约束核聚变、照明系统及医疗手术等方面都得到了广泛应用。