光束积分激光空间整形技术

封面文章|孟晶晶, 余锦, 貊泽强, 王金舵, 代守军, 王晓东. 光束积分激光空间整形技术[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(13): 130002

自激光器问世以来,性能不断提升,应用也越来越广泛。一般来说,激光输出光束强度分布为近高斯函数因此,但是我们在应用激光时,希望激光按照需要的强度、相位等输出,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,即实现激光空间整形。

目前,常用的光束整形方法有三种:

1)滤波法。这种方法会损失入射光的大部分能量;

2)光场映射法。通过控制入射光场与目标光场的映射关系实现光束整形,多应用于单模激光光束的整形;

3)光束积分法。入射光束经阵列元件分割后经透镜等积分元件在目标面叠加,实现光束整形。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,因此应用最为广泛。

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,可以将入射光束分割为细光束阵列,元件可根据实际需求选择反射或折射式的;(2)将细光束重排或聚焦到目标面的积分元件。

常用的光束积分法一般按照使用器件可分为:棱镜阵列、反射镜阵列及微透镜阵列等。

棱镜阵列

利用多棱镜阵列实现光束整形是由日本钢铁公司Yamaguchi S等人发明的,并将其应用到半导体激光器线阵的整形中。

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,达到改善光束质量的目的,为避免折射式棱镜材料色散的存在,反射式棱镜阵列也被应用到半导体激光器叠阵的整形中。为尽量降低对棱镜加工与装调的要求,研究人员进一步简化棱镜结构,将由多个棱镜组阵列组成的整形系统逐渐简化为单棱镜组。


图1 单棱镜组光束整形原理

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广泛的应用。例如,将棱镜阵列应用到太阳能集光器中,对SPring-8同步辐射源中BL24XU线站X光束进行预聚焦等。此外,棱镜中的轴棱锥也可起到分割光束的作用,2016年,Tsuji H等人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。系统通过改变负透镜焦距及轴棱锥锥角可在1~1000 m的传输距离范围内实现目标面光照度标准偏差仅为0.4%的均匀照明。

棱镜阵列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。

反射镜阵列

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:1984年Dagenais D M等人提出将一系列小反射平面镜组成的反射镜阵列对TEA CO2激光器进行了匀化。紧接着,夫琅禾费研究所、nLight公司相继提出阶梯反射镜整形法与垂直堆栈法,并应用于半导体激光光束整形中。

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的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两个方向的旋转,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。当存储器处于“开”状态时,反射镜可旋转到+10°,当存储器处于“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。目前已有科研人员将DMD大量应用于平顶光束及局域空心光束整形中。

类似于DMD结构,研究人员也开发了基于微反射镜阵列(MMA)的光束整形方法。荷兰ASML公司将基于MMA的FlexRay(可编程照明装置)应用于NXT系列光刻机的曝光系统,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,数千个偏转微镜各自可在-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,改变偏转微反射镜的角度方向将改变光瞳中反射光斑的位置,在目标面上重构预设的照明光瞳。与传统通过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,可以有效扩大光刻工艺窗口,并且缩短了设计周期、降低了设计成本并提高了照明光源的灵活性。


图2 基于四面反射镜的FlexRay光束整形

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

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。这两类元件都可通过实时控制微镜单元的偏转角度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,具有快速的响应速度与较高的可靠性。

微透镜阵列

微透镜阵列(MLA)整形系统一般可分为非成像与成像结构。

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;成像积分器由两组MLA和积分透镜组成,在两组微透镜中,前组任意一微透镜与后组中对应位置处的微透镜组成一个通道,并且每一通道中两片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二组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。

为降低利用MLA整形时目标表面干涉条纹的对比度,2007年Wippermann F等人提出了一种破坏常规MLA周期结构的非周期型的啁啾MLA,经特殊设计的楔形非周期微透镜阵列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。

近年来,国内研究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,最终将微透镜紧密排列,构成了MLA整形系统。该方法对于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。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在对微光学制作工艺的开发上。


图3 周期型与啁啾型MLA的单透镜衍射和多缝干涉图像

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,一类为掩膜光刻技术,如灰度掩模法等,另一类为无掩模光刻技术,如电子束刻蚀、聚焦离子束技术等。

微透镜阵列以其重量轻、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,微透镜阵列加工工艺已日趋成熟。目前微透镜阵列光束整形技术研究向着不断降低目标面干涉图样的不均匀性、简化加工工艺与流程方向发展。

总结

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。

必须注意到,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原理较为简单,但棱镜的制造加工装调必需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,难于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方面等体系都已趋向于完善,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。