光束整形在激光照明中的应用
照明系统中的消相干光束整形设计方法
图1 高斯光束整形为均匀光束图2 微透镜阵列匀光原理当前主流的匀光方案是采用微透镜阵列进行匀光，其匀光的基本原理是：将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的小透镜聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光匀化，对激光束精确整形。
如图2其对于非相干光源，可以达到很好的匀光效果，但是对于强相干光源，其干涉效应会非常明图3 强相干光源下的干涉、衍射效应采用传统的微透镜阵列匀光方案，在匀光过程中干涉严重影响光束的均匀性，所以在光学系统中需要消除干涉。
上海市发展和改革委员会（XA4300089-2017-604）先进封装光刻机产业化课题。
徐建旭，上海微电子装备（集团）有限公司，研究方向：光束整形。
1.2 消相干分析针对干涉产生的不同原因，可以采用不同的方法消相干。
常用的方法有三种：1）方法一、光学系统中不引入产生干涉的因素，如非球面匀光整形，如图5[1]。
此种方法适合光束质量较好（ M2约为1）的情况下，匀光质量好，缺点是实际输入必须与设计输入严格匹配才能得到较好的匀光效果。
（2）方法二、采用快速旋转散射片，改变时间分布，实现消干涉。
如图6[2]。
因旋转散射片的速度限制，此方法不适用于脉冲持续时间较短的超短脉冲光源。
3）方法三、采用光程差大于相干长度消干涉。
如图7[2]，图8原理是：能够产生干涉现象的最大光程差称为相干长度，当光程差大于相干长度时，在同一个区域，不同级次的明暗条纹互相叠加，从而分辨不出条纹，也就没有干涉现象了。
2 相干长度测试光束的时间相干性，通常是用相干长度来描述的。
相干长度在实验上，可以通过迈克尔逊干涉仪来测量。
干涉条纹的可见度可定义为式（1），相干长度是干涉条纹的可见度减为0.707时对应的光程差，一般认为条纹可见度下降到0.707时，两光束就不再相干，若条纹可见度维持在0.707以上，即认为两光束完全相干[3]。
两束光的相干区域随着光程差的改变而周期性出现，相干长度也随着光程差的改变呈周期。
光束整形方式的原理和应用
光束整形方式的原理和应用光束整形是一种通过特定的光学元件来调整光束的形状和分布的技术。
其原理通常基于反射、折射、散射、吸收等光学效应。
光束整形的原理主要基于以下几种方法：1. 透镜：透镜可以通过改变光束的聚焦、散焦和分布属性来实现光束整形。
常见的包括凸透镜和凹透镜，它们可以改变入射光束的弯曲程度和分布。
2. 棱镜：棱镜的作用是改变光束的方向和折射角度，从而实现光束整形。
通过选择合适的棱镜形状和折射率，可以实现光束的偏转、分离和聚焦。
3. 光栅：光栅是一种具有周期性结构的光学元件，通过改变光栅的周期和方向，可以对光束进行周期性调制和分布控制。
光栅可以用于光束分光、光束合束和光束整形等应用。
4. 光波导：光波导是一种通过改变光的传播路径和介质分布来实现光束整形的元件。
常见的光波导包括光纤和波导板，它们可以通过调整光的导模器式和波导结构来实现光束的整形和分布控制。
光束整形在许多应用领域中都有广泛的应用，其中包括但不限于：1. 激光加工：光束整形可以用于调整激光束的形状和分布，从而实现对材料的精确加工和切割。
例如，通过光束整形可以将激光束聚焦成小的点状光斑，用于微细加工和雕刻。
2. 光通信：光束整形可以用于优化光纤通信系统中的光束耦合和传输特性，从而提高通信质量和效率。
通过光束整形可以减小光纤之间的耦合损耗和信号失真。
3. 显示技术：光束整形可以用于调整和控制显示器中的光源，从而实现图像的均匀亮度和分辨率。
例如，在投影仪中使用光束整形可以实现对光源的聚焦和对光线的分布控制。
4. 生命科学：光束整形可以用于生物医学成像和激发荧光等应用。
通过调整光源的形状和分布，可以实现对生物样品的精确照射和成像。
总之，光束整形是一种通过调整光束的形状和分布来实现光学控制的技术，具有广泛的应用前景。
鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用
鲍威尔棱镜Zemax建模⽅法与激光光束整形的应⽤鲍威尔棱镜Zemax 建模⽅法与激光光束整形的应⽤在激光整型技术⽅⾯，1965年，Fridden 发表了第⼀篇⽆损耗激光整型技术，其利⽤⼏何的⽅法将单模的⾼斯光束整型为均匀光束。
近年來，线形激光光束整型的⽂献⽇益增多。
1986年，⽇本⼈Nakamura 使⽤复杂的旋转反射⾯机构使出射光束为线形分布。
1989年，Powell 设计了⼀个单透镜，藉由控制曲率半径及锥形系数(Conic constant)，可以使圆形的激光光束整形为均匀的线形光束。
此后，Powell 在1996年发表了可以将激光光束整形为D 型光束的光学元件。
1994年，Frady 由Powell 的概念，发觉Powell 透镜难以使⽤在固态激光上，设计了⾮对称的单透镜组件，在两垂直轴的曲率半径及锥形系数不相同，此组件可⽤在⾮圆形⼊射的激光光源，将光源整形为均匀线形光源，但缺点为在不易对位(Alignment)且制作复杂。
鲍威尔棱镜（Powell Lenses ）是⼀种光学划线棱镜（⾮球⾯柱⾯镜），它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的⼀条直线。
鲍威尔棱镜划线优于柱⾯透镜的划线模式，能消除⾼斯光束的中⼼热点和褪⾊边缘分布。
当约1mm 的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时，如果将棱镜顶端部分放⼤可以看出，棱是圆弧状的，光线⼊射后发⽣折射，折射⾓主要由两个棱⾯所构成的⾓度决定，最后经过出射⾯时再发⽣⼀次折射，整个出射光线形成⼀道扇形光幕。
鲍威尔棱镜的特性之⼀，就是对⼊射光束的尺⼨有严格要求，或⼤或⼩都会影响出射光线在⽬标位置的均匀性，⽽且⼀般要求⼊射光束的尺⼨都⽐较⼩，正好适⽤于激光光束的特征；同时轴⼼的对准度也有影响，所以⽤起来会很不⽅便。
厚度H 虽然不会影响出射光线的⾓度，但也会影响⽬标位置的均匀性。
因此，鲍威尔棱镜的产品指标都会指明⼊射光束尺⼨的要求，标注直径和厚度等参数，如图 25-1所⽰。
光束整形方式的原理和应用
光束整形方式的原理和应用1. 引言光束整形是一种常用的光学技术，主要用于控制光束的形状、尺寸和分布。
本文将介绍光束整形的原理和在不同领域中的应用。
2. 光束整形的原理光束整形主要通过光学器件来改变光束的传播特性。
以下是几种常用的光束整形方式：•透镜整形：透镜是用于集束和发散光束的常见光学器件。
凸透镜可用于集束光束，使其变得更加聚焦和密集。
凹透镜则可用于发散光束，使其变得更加散开和扩散。
•掩膜整形：掩膜是一种具有特定孔径和形状的光学器件。
通过选择不同形状和大小的孔径，可以控制光束的形状和尺寸。
•光栅整形：光栅是一种光学器件，具有具有一系列平行的条纹或孔径的结构。
光栅通过衍射和干涉的原理，可以对光束的相位和振幅进行调整，从而改变光束的形状和分布。
3. 光束整形的应用光束整形在许多领域中都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 激光加工光束整形在激光加工中起着关键作用。
通过调整光束的形状和分布，可以实现对材料的精确加工和切割。
例如，使用透镜整形可以将光束聚焦到非常小的区域，提高加工的精度和效率。
3.2 光通信光束整形在光通信中也扮演着重要角色。
通过控制光束的形状和分布，可以优化光信号的传输和接收效果。
例如，使用掩膜整形可以调整光束的角度和方向，减少光信号的衰减和失真。
3.3 医学影像在医学影像领域，光束整形可以用于改善医学图像的质量和清晰度。
通过调整光束的聚焦和散射特性，可以获得更准确的医学影像结果。
特别是在激光扫描显微镜和光学相干断层扫描成像等高分辨率成像技术中，光束整形起着至关重要的作用。
3.4 激光打印光束整形也被广泛应用于激光打印技术中。
通过控制光束的形状和强度分布，可以实现对打印质量和速度的优化。
例如，使用光栅整形可以调整激光束的相位和振幅，从而实现高分辨率的激光打印效果。
4. 结论光束整形是一种重要的光学技术，它可以改变光束的形状、尺寸和分布。
在激光加工、光通信、医学影像和激光打印等领域中，光束整形都发挥着关键作用。
激光光束整形技术
有一组满足上式的解，形式为： 其中d是两镜之间的距离， n是镜子的折射率， 是光迹函数。 正号代表伽利略式，负 号代表开普勒式。
上面的光束整形，主要是光强分布的变化，对于光斑形 状的变换相对简单。 对于我们扫描所需要的线状光束，可以通过使用两个柱 面镜实现：
如果要得到光强均匀分布的线状光束，需要使用非球面柱 面镜来实现，这需要将前面光强分布变换和光斑形状变换 两部分结合起来，具体解法需要时间看懂光束整形里的数 学。 光束整形器目前市场上已经有产品出售，是进口的，在 中国有代理，价格大约是3000欧元。
激光光束整形技术
南开大学
对于光纤、YAG、CO2激光器等，出射的（单模）激光截 面为圆形，光强分布为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.37。 对于半导体、准分子激光器，出射的激光为方形，多模 的方向认为光强分布均匀，垂直的单模方向的光强分布 为：
其中阴影部分的能量最多只能达到总能量的0.48。
这种方式可以做到没有能量的 损失。
第三种multi-aperture beam integrator， 整形装置由微透镜阵列和一个普通透镜 组成，微透镜阵列将入射光场分割为若 干子束，这些子束在经过普通透镜汇聚 后，在所需位置处再叠加起来，从而得 到均匀光束。
这种整形方式比较适用于空间相干性比较差 的多模激光，同样可以做到能量没有损失。
还有其它的一些方式可以做到 均匀出射，比如双折射透镜组， 双透镜+柱镜等。
Field mappers
考虑入射高斯光束为TEM00模，光强空间分布为
出射光束为平定光，有三种选择方式： 费米狄拉克函数： 超高斯函数： 平坦高斯函数：
上面三个函数取合适的 参数时都是阶跃函数的 很好的近似。
光束成形与激光加工技术
光束成形与激光加工技术光束成形技术是一种利用特殊光学元件对激光进行调控，使其在加工过程中形成特定形状和能量分布的技术。
这种技术在激光加工领域得到了广泛应用，能够提高加工质量、效率和精度，同时拓展了激光加工的应用范围。
本文将介绍光束成形技术的原理、应用以及未来发展方向，以及光束成形技术在激光加工中的重要性。
一、光束成形技术的原理光束成形技术通过设计和使用特殊的光学元件，如透镜、光栅、偏振片等，对激光进行调控，使其在加工目标表面形成所需的光斑形状和能量分布。
这些光学元件能够改变激光的传输特性、聚焦特性和光斑形状，从而实现对激光加工过程的精确控制。
光束成形技术的关键在于光束整形器件的设计和优化。
通过合理设计光束整形器件的光学参数，如曲率半径、透镜孔径、光栅周期等，可以实现对激光光斑形状和能量分布的精确控制。
例如，通过使用透镜组合可以实现光斑的聚焦和调制，通过使用光栅可以实现光斑的分割和整形，通过使用偏振片可以实现光斑的偏振控制等。
二、光束成形技术的应用光束成形技术在激光加工领域有着广泛的应用。
首先，光束成形技术可以实现对激光加工过程的精确控制，提高加工质量和效率。
例如，在激光切割、焊接、打标等加工过程中，通过优化光束形状和能量分布，可以实现对加工质量和速度的提升。
其次，光束成形技术可以拓展激光加工的应用范围。
通过设计不同形状和能量分布的光束，可以实现对不同材料的加工和处理。
例如，对于薄膜材料的微加工、对于光敏材料的光刻、对于生物材料的激光治疗等领域，光束成形技术都发挥着重要作用。
三、光束成形技术在激光加工中的重要性光束成形技术在激光加工中具有重要意义。
首先，光束成形技术可以提高激光加工的精度和稳定性。
通过精确控制光束形状和能量分布，可以实现对加工过程的精细调控，从而提高加工的精度和稳定性。
其次，光束成形技术可以提高激光加工的效率和生产率。
通过优化光束形状和能量分布，可以实现对加工速度和能量利用率的提升，从而提高生产效率和降低成本。
matlab 光束整形
matlab 光束整形光束整形是一种重要的光学技术，在许多应用领域都有广泛的应用。
光束整形的目的是将光束的形状和特性进行调整，使其更适合特定的应用需求。
在本文中，将介绍光束整形的基本原理和常见的方法。
光束整形的基本原理是通过光学元件对光束进行调整和控制。
光束整形可以改变光束的空间分布、强度分布和相位分布等特性，从而实现对光束的控制。
光束整形的目的有很多，比如改变光束的形状、聚焦光束、扩展光束、调整光束的方向等。
常见的光束整形方法包括透镜、棱镜、光栅和空间光调制器等。
透镜是最常见的光束整形元件，它可以通过改变透镜的曲率和厚度来调整光束的聚焦和扩展。
棱镜可以通过折射和反射来改变光束的方向和形状。
光栅是一种具有周期性结构的光学元件，可以通过衍射来调整光束的强度和相位分布。
空间光调制器是一种可以改变光束相位的元件，可以实现光束的调制和控制。
光束整形在许多领域都有广泛的应用。
在激光加工中，光束整形可以实现对激光束的聚焦和扩展，从而实现对材料的切割、焊接和打孔等加工过程的控制。
在光通信中，光束整形可以实现对光信号的调制和解调，从而实现高速光通信系统的传输和接收。
在成像领域，光束整形可以实现对光束的聚焦和调整，从而实现高分辨率和高清晰度的图像获取。
光束整形的研究和发展在近年来取得了很大的进展。
随着光学材料和制备技术的不断提高，光束整形的元件和方法也得到了不断的改进和创新。
例如，利用新型材料和光学结构设计，可以实现更高效的光束整形效果。
同时，利用计算机模拟和优化算法，可以对光束整形进行精确的设计和优化。
光束整形是一种重要的光学技术，可以实现对光束的形状和特性的调整和控制。
光束整形的方法有很多种，包括透镜、棱镜、光栅和空间光调制器等。
光束整形在激光加工、光通信和成像等领域都有广泛的应用。
随着光学材料和制备技术的不断发展，光束整形的研究和应用也将得到进一步的推进。
相信在未来，光束整形将继续发挥重要的作用，为各个领域的光学应用提供更好的解决方案。
光学工程中激光加工技术的使用技巧总结
光学工程中激光加工技术的使用技巧总结随着科学技术的不断进步，激光加工技术越来越被广泛应用于光学工程领域。
激光加工技术以其高精度、高效率和全自动化的特点，成为光学元件制造中不可或缺的一项重要技术。
本文将总结光学工程中激光加工技术的使用技巧。
1. 光束控制技术在激光加工中，光束的控制十分关键。
光束质量的好坏将直接影响到加工的效果和精度。
因此，在激光加工过程中，需要注意以下几个方面的光束控制技巧：首先，要正确选择和调整激光器的参数。
包括输出功率、束径、光束质量等。
输出功率需要根据加工要求进行合理调整，过高或过低的功率都会影响到加工效果。
束径和光束质量的选择可以根据具体任务和要求进行调整，保证加工的精度和效率。
其次，要注意光束的稳定性。
激光加工过程中，光束的稳定性直接影响到加工结果的一致性。
因此，需要保证激光器的稳定性和光束传输过程中的稳定性。
可通过控制温度、振动等因素，来提高光束的稳定性。
最后，要正确使用光束整形技术。
光束整形技术可以改变激光光束的形状和特性，使之更适合加工任务的需求。
常见的光束整形技术有模式转换、光束扩展等。
正确使用这些技术能够提高加工的精度和效果。
2. 材料选择和处理技巧在激光加工过程中，材料的选择和处理是非常重要的环节。
不同材料的加工特性和反应情况不同，需要针对具体材料进行相应的处理和调整。
首先，要合理选择加工材料。
不同材料对激光的吸收率和热导率不同，因此，需要选择适合激光加工的材料。
常见的光学工程材料有玻璃、晶体等。
在选择材料时，需要考虑材料的特性、加工要求、成本等因素。
其次，要对材料进行预处理。
材料的预处理包括除杂、除气等。
例如，对于玻璃材料，可以通过酸洗、热处理等方法，提高材料的加工质量和精度。
最后，要正确调整加工参数。
加工参数的调整包括激光功率、扫描速度、脉冲数等。
合理调整这些参数可以提高加工效果、减少材料损伤和变形。
3. 加工路径和模式设计技巧激光加工中，加工路径和模式的设计对于加工效果和精度有着重要影响。
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保 证 系 统 对 目 标 的 精 确 跟 踪、 瞄准的关键技术之 激光照明技术是高能激光系统中获 得 目 标 的 细 节 图 像 、 保证系统对目标的精确跟踪 、 瞄准 ， 需要主动照明激 光 在 目 标 平 面 处 光 强 分 布 一 。 为了获得目标的细节图像 ，
］ １ ２ － 均匀 、 稳定 ， 且光强 、 光斑半径满足要求 ［ 。 影响光斑光强分布均匀性和稳定性的主要因素有照明激光光束质 ］ ３ ４ － 大气湍流等 。 研究表明 ， 采用多光束照明能够提高照明 激 光 束 均 匀 性 和 稳 定 性 ［ 。非相干激光照明也能 量、
强
激
光
与
粒
子
束
（ ［ ］ ］ Ｇ（ ｗｘ ， ｗｙ ）＝ ｇ（ ｅ ｘ ｉ ｅ ｘ ｗｘ ｄ ｄ －ｉ γ ｐ ｐ［ （ ξ， η） ξ， η） ξ ＋ ｗｙ η） ξ η
（ ） ３
式中： ／ ／ ／ ／ ， ） ， ） ， ／ （ 是相位调节因子 。 由 Ｒ， Ｒ， ｗ ｋ Ｒ ｘ ｗ ｋ Ｒ Ｒ Ｄ ＝γ Ψ（ γ＝２ π λ ｆ， ｙ ｆ， ｆ） ｘ＝ ｆ ｆ ｙ＝ ξ ＝ｘ η＝ｙ ξ η ξ η （ 于光学衍射极限限制 ， 只有γ 足够大才能获得较理想的整形光斑 。 根据能量守恒原理可求解能量因子 Ａ， 即
Ｕ（ ｘ ＝ ｙ ｆ， ｆ）
Ｆ ｉ ． １ Ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｏ ｆ ｂ ｅ ａ ｍ ｓ ｈ ａ ｉ ｎ ｇ ｐ ｐ ｇ 图 １ 光束整形原理
ｘ ｙ ２ πｘ ） ｉ ｘｆ ＋ｙ Ψ（ ， ）ｅ ｅ ｘ ｘ ｘ ｄ １ ｙｆ）ｄ ｐ ｐ －ｉ （ ｙ （ Ｒ Ｒ λ ｆ 式中 ： ／ ／ ／ 是入射光束 ； ／ ／ 是相位元件的 ｋ＝２ ｘ Ｒ， Ｒ） ｘ Ｒ， Ｒ） λ 是激光波长 ； π λ 是波数 ； Ψ（ ｆ 是传输距离 ； ｇ（ ｙ ｙ
８ 卷第 ７ 期 第２ 年７月 ２ ０ １ ６
强
激
光
Байду номын сангаас
与
粒
子
束
Ｈ Ｉ ＧＨ Ｐ ＯＷＥ Ｒ Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＡＮ Ｄ Ｐ ＡＲ Ｔ Ｉ Ｃ Ｌ Ｅ Ｂ Ｅ ＡＭＳ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８，Ｎ ｏ ． ７ ， Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ６
光束整形在激光照明中的应用
罗 文， 张建柱 ， 谢晓钢 ， 张飞舟
２ 以看出整形后远场光斑半径 Ｒ０． 远 场 光 斑 光 强 闪 烁 率σ ８ ３ ７ 随相位调节因子 γ 的增大而逐渐 增 大 ； Ｉ 随 着γ 的 增 ２ 远场照明均匀性提高 ， 数值模拟结果与理论结果十分吻合 。 当γ＝８ 时 ， 光强闪烁率σ 大而降低 ， ０． ０ ５。 Ｉ ＜
Ｆ ｉ ． ２ Ｆ ａ ｒ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｂ ｅ ａ ｍ ｓ ｈ ａ ｉ ｎ ａ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ａ ｄ ｕ ｓ ｔ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｈ ａ ｓ ｅ ｇ ｐ ｐ ｇ ｐ ｊ ｇ 图 ２ 整形后远场光斑特征随相位调节因子的变化
提高照明激光均匀性和稳定性 ， 减小目标成像的闪烁 （ 包括时间和空间上的闪 平滑部分湍流引起的强度起伏 ，
［ ］ ５ ６ － 烁） 。 以上照明系统结构固定 ， 照明光斑尺寸不能改变 ， 系统对不同尺寸目标的适应性很低 。 光束整 形能主 ］ ７ ８ － 动将远场光斑整形为任何分布 ［ ， 可用于激光照明中提高照明均匀性 、 调节照明光斑半径 ， 减小目标成像的闪 ［］ 烁、 增强系统适应性 。 本文从衍射光学角度推导光束整形理论 ； 用Ｅ ａ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ激光 系 统 仿 真 软 件 ９ 模 拟 光 束 整 ｙ
Ｇ（ ｗｘ ， ｗｙ ） ２ ＝
／ ／ ｘ Ｒ， Ｒ） ｄ ｘ ｄ ｇ（ ｙ ｙ＝ Ａ
Ｒ２ （ ／ ， ／ ） Ｑｘ ｘ ｄ ｙ ｆ Ｄ ｙ ｆ Ｄ ｄ ｆ ｆ Ｄ２
２
（ ） ４
） 近似处理得到 ３ 利用二维稳相法对式 （
２ ４ π ２ × ｇ（ ０， ０） ξ η γ Ｊ（ ０， ０） ξ η 式中 ： ／ ／ ） 决定 ′ ｘ ′ Ｄ， Ｄ， ｗｘ ＝γ ｘ ′ ｗｙ ＝γ ′ ６ ｙ ε ｆ ＝ ｙ ｙ ｆ ＝ｘ ｆ ｆ ｆ， ｆ ， ０， ０ 由式 （ η （ ， ） ′ （ ， ） ｘ ＝ ｙｆ ０ η ０ ＝ ′ ０ η ０ ｆ ， ξ ξ η ξ ２ ２ ２ ２ （０ ，０） （０ ，０） （ ０， ０） ξ η Ｊ（ ＝ ξ２η × ξ２η － ０， ０） ξ η ξ η ξ η ） ） 并代入式 （ ） 得到 １ ３ ５ 联立式 （ ～（ ２ Ｑ（ ｘ ′ Ｊ（ ′ ＝Ａ ｇ（ ｙ ０， ０） ｆ， ｆ） ０， ０） ξ η ξ η
２ 光斑半径 Ｒ０． （ ） 是远场光斑半径变化曲 ａ ８ ３ ７ 和光强闪烁率σ Ｉ 随相位 调 节 因 子 γ 的 变 化 关 系 如 图 ２ 所 示 。 图 ２
０ ７ １ ０ ０ ５ ２ －
罗 文等 ： 光束整形在激光照明中的应用
线， 图２ （ ） 是光强闪烁率变化曲线 ， 其中二维图分别是相位调节因子 γ 为 ２， ｂ ４， ８和１ ６ 时 远 场 光 斑 分 布。可
３ 光束整形影响因素分析
３． １ 截断比对整形照明均匀性的影响 激光发射系统口径尺寸有限 ， 高斯光束在一定程度上被截断 ， 从而影响远场光斑分布 。 定义光束截断比为 发射口径半径 Ｒ 与高斯光束束腰半径 ｗ 的比值 。 取β＝１． 分析光束截断比 Ｒ ／ ０， ｒ ｗ＝０． １ ５ ｍ， ｗ γ＝８， ０＝ ∞ ，
形及大气传输 ， 分析光束截断比对照明均匀性的影响 ， 分析大气湍流条件下光束整形 对 照 明 均 匀 性 的 影 响 ， 并 比较调节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响 。
１ 光束整形模型
１ ０］ 利用衍射光学理论建立光束整形模型 ， 如图 １ 所示 ［ 。
激光束经过相 位 元 件 后 ， 经传输系统在空间中传输到焦面 在焦面上形成整形后的光斑分布 。 上， 利用衍射光学理论 ， 当 Ｒ λ ， ／ ／ 目 ｘ ｆ １， ｙ ｆ １ 时 ， 标光束光场的菲涅耳近似表达式为 （ ｅ ｘ ｉ ｋ ｘ， ｐ ｆ） ｙ） ２ ２ （ （ ｅ ｘ ｘ × ｐ ｆ ＋ｙ ｆ ）ｇ ｉ Ｒ Ｒ λ ｆ
２ ２ ２ ２ 性为上述区域内光斑的光强方 差 （ 闪 烁 率） ， 光 强 闪 烁 率 表 达 式 为σ 〈 ／ 〈 Ｉ －〈 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ＝（ ｉ ｉ ｉ ｉ ｊ 〉 ｊ 〉） ｊ 〉， ｊ是照明光斑
规定区域内任意点的光强 。 理想情况下 （ 光束质量β＝１． 大气湍流相干长度ｒ ， 远场光斑半径 Ｒ０ ＝１． ０， ３ ５ ｍ。 光束整形后远场 ０ ＝∞ ）
Ｒ ２ ／ ／ （ ） Ｕ（ ｘ ｘ Ｄ， Ｄ） ２ ＝ Ａ ２Ｑ（ ｙ ｙ ｆ， ｆ） ｆ ｆ Ｄ 式中 ： 确保入射光束与目标光束能量相等 ； ／ ／ 是归一化目标光 Ａ 是能量因子 ， Ｄ 是目标光斑半径 ； Ｑ（ ｘ Ｄ， Ｄ） ｙ ｆ ｆ
斑光强分布 。 对式 （ ） 进行无量纲化 ， 并分离傅里叶变换部分得到 １
／ ／ Ａ ｗ２ Ｄ２ Ｑ（ ｒ Ｄ）＝
（ ） ９
） （ １ ０
（ ） １ １
／ Ａ ｗ／ Ｄ ，ｒ Ｄ ＜１ （ ） １ ２ ／ ０， ｒ Ｄ ＞１ 式中 ： ｗ 是高斯光束的束腰半径 ， Ｄ 是 目标 圆形 平顶 光束 半 径。计 算 得 到 高 斯 光 束 到 圆 形 平 顶 光 束 整 形 相 位
２． １ 理论分析 １ １］ 以高斯光束整形为圆形平顶光束验证光束整形模型 ［ 。 因为入射光束和目标光束均为圆对称 ， 则二维光 束有如下变换关系 ， Ｑ（ ， （ ｘ ′ ′ ＝ Ｑ（ α） ｙ ｒ） ｆ， ｆ） ｇ（ ｒ） ξ， η）＝ （ ξ ξ， η）＝ ｇ（ ξ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ′ ｘ ′ ｙ ｒ ＝ξ ＋ ｆ） ＋ （ ｆ） ξ η ， α ＝（ 直角坐标到柱坐标转换 、 能量守恒 、 二维稳相近似得到 ａ ｎ ｋ ｅ ｌ变换 、 利用 Ｈ ２ ２ １ ｒ） ξ ＝ ｇ（ ２ ／ Ａ Ｑ（ ｒ ｒ ｒ） ｒ ξ ξ ξ ξ 设高斯光束和圆形平顶目标光束光强分布分别为 ２ ２ ｒ／ ｗ － ／ ｒ ｗ）＝ ｅ ｇ（
（ 北京应用物理与计算数学研究所 ，北京 １ ） ０ ０ ０ ９ ４
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调节照明远场光斑尺寸的方法 ， 用Ｅ ａ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ激 光 摘 要 ： 提出利用光束整形技术提高激光照明均匀性 、 ｙ 分析大气湍流条件下光束整形对照明均匀性的影响 ， 并比较 调 仿真软件分析光束截断比对照明均匀性的影响 ， 节光束质量与光束整形对照明均匀性的影响 。 结果表明 ： 光束整形具有调节照明激光远场光斑尺度及均匀性 相位调节因子越大 ， 整形后远场光斑半径越大 、 均匀性越好； 光束截断比越大照明均匀性越好； 弱湍流 的能力 ， 条件下 ， 光束整形比调节光束质量的照明激光远场光斑均匀性更好 。 关键词 ： 激光照明 ； 光束整形 ； 照明均匀性 ； 大气湍流 ： ／ ２ ４ ８ 文献标志码 ： ｏ ｉ １ ０． １ １ ８ ８ ４ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ ０ １ ６ ２ ８． ０ ７ １ ０ ０ ５ 中图分类号 ： ＴＮ Ａ ｄ
｛ ｝ ｅ ｘ ｉ ′ ｄ ｄ ′ －ｘ γ［ ｐ ｇ（ ｆ ｆ ξ， η） （ ξ， η） ξ＋ｙ η］ ξ η
≈
２
（ ） ５
（ ） ６ （ ） ７
（
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（ ） ８
联立式 （ ） ， （ ） 和式 （ ） 可以求出γ＝１ 时的整形相位 （ ４ ７ ８ ０， ０ ）。 ξ η
２ 高斯光束到圆形平顶光束整形
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相位 ； 可看出 ， 含光束整形的 Ｒ 是入射光束光斑半径 ； ｘ， ｘ １） ｙ 是激光发射平面坐标 ； ｙ ｆ， ｆ是焦平面坐标 。 由式 （ 传输等效为对存在初始相位的入射光束进行傅里叶变换 。 理论上通过设计合理的相位 Ψ（ ／ ／ ， 可以得 ｘ Ｒ， Ｒ） ｙ 到任何光场分布的目标光束 。 设目标光斑光强分布为