导语

在激光加工、科研实验、医学手术等场景里，“光斑不均匀、能量浪费” 常常让人头疼。光束整形（Beam Shaping）能把天然的高斯光束重新塑形为平顶、圆形、Bessel 或其他自定义分布，使每一毫焦耳的能量都发挥最大价值。本文将从理论原理 → 主流技术 → 关键设计参数 → 实战选型四个层次，完整展开技术细节，帮助你快速定位最适合的方案。

在激光烧蚀应用中，具有高斯剖面的光束比具有平顶剖面的光束效率更低，这是因为存在大面积光束，其多余能量高于所需的烧蚀阈值，且在高斯剖面的外部区域能量低于该阈值。

一、光束整形的物理本质

左图为高斯光束强度随半径呈指数衰减，右图为理想平顶光束在有效面积内强度恒定。

二、光束整形的技术路径

1.折射式光束整形

• 工作原理：利用非球面、自由形或自由曲面透镜实现相位映射（field‑mapping），在保持能量守恒的前提下将高斯波前扭曲为平顶或 Airy‑disk 波前。

• 性能指标：>96 % 透射率，波长独立（宽波段适用），输出波前平坦。

• 典型实现：

• Galilean/Keplerian 双透镜组合（实现光束压缩与相位调制）。

• AdlOptica Focal‑πShaper Q：将高斯直接转为 Airy‑disk，再经聚焦镜得到完美平顶。

优势：高均匀度、低随机波动，适合功率>10 W 的工业加工。局限：体积大、成本最高，且对光束入口尺寸有一定要求（β > 16，见下文）。

采用场映射的折射式光束整形示例

2.衍射式光束整形

• 工作原理：在基片上刻蚀微/纳米结构（DOE），利用衍射把光的空间频谱重新分配，实现特定的强度分布。

• 关键要点：

• 设计波长必须与实际工作波长匹配，否则相位误差导致效率下降。

• 对准与发散度要求更高（位置误差会导致畸变）。

• 优势：单件体积小、可实现复杂非对称光斑（如星形、环形），非常适合空间受限的科研平台。

• 缺点：相对折射式对波长、入射角更敏感，且通常效率略低（60–80 %）。

3.光束积分器

• 原理：由微透镜阵列（lenslet array）把入射光分割为若干束（beamlets），随后通过汇聚透镜在目标面叠加，实现近似均匀的平顶分布。

• 适用条件：

• Fresnel 数 < 10 时需使用成像型积分器，才能获得高均匀度。

• 成本最低、占用空间最小，但随机强度波动较大（表格中标记为 “High”）。

• 应用实例：低功率激光打标、光学投影系统的均匀照明。

备注：若系统对均匀度要求极高，推荐在积分器前加入细分的再均匀化光学（如 diffuser）以降低随机噪声。

4.Axicon（锥形透镜）— 生成 Bessel 光束

• 概念：传统折射或反射 axicon 将平面波转化为准 Bessel（quasi‑Bessel）束，形成几乎零衍射的长深场（Depth‑of‑Field, DOF）。

• 特性：自‑修复（被障碍物阻挡后仍能恢复），适用于深孔加工、角膜手术、长距离测距。

• 实现差异：

• 折射 axicon：受色散影响，适用于窄谱激光。

• 反射 axicon：无色散，适合宽带超快激光。

传统折射axicon的示意图，展示了景深（DOF）内的贝塞尔光束区域以及在重叠区域之后传播的环形光束。

反射axicon的示意图。与传统axicon类似，它会在景深（DOF）内形成贝塞尔光束区域，并在重叠区域之后形成环形光束；但与传统axicon不同的是，它不受波长影响。

5.柱面透镜— 圆化椭圆光束

• 工作原理：只在单一轴向拥有光学功率（power direction），对另一轴（non‑power direction）保持中性，实现轴向独立调节。

• 设计要点：

• 测量激光二极管在 X/Y 方向的散度角 θₓ、θᵧ。

• 选取两片柱面透镜的焦距 f₁、f₂，使 f₁/f₂ = θₓ/θᵧ，即可在两轴上实现相同的发散度。

• 保证透镜口径 > 2 f tan θ，防止光斑被裁剪。

• 优势：结构简单、成本低、可实现激光光片（light‑sheet）和圆形均匀光斑。

柱面透镜的 power 与 non‑power 方向示图。

6.非等距棱镜对

• 原理：两块倾斜棱镜形成放大/压缩比例，对 X、Y 轴分别施加不同的放大倍率，实现快速圆化或椭圆化。

• 适用场景：高功率激光的快速整形，或需要在不改变光路长度的前提下改变光斑比例。

一对变形棱镜，在一个方向上充当光束扩展器，可将椭圆光束圆化。

三、关键设计参数深度剖析

1. β = C·r₀·λ·z（C 为常数，取 2π≈6.28）

2. 最大口径 d = 2 f tan θ（用于柱面透镜与激光二极管匹配）

四、选型实战流程（图形化）

五、行业案例深度解析

六、常见误区 & 防坑指南

1. 只看“平顶”标签，忽视波前：平顶光斑若相位不平，聚焦后仍会出现热点。 → 必须同时检查 相位均匀性（使用波前传感器）。

2. β < 4 直接购买折射式：实验表明 β < 4 时几乎不产生可用平顶，浪费成本。 → 先用 光束展开器 增大 r₀ 再选型。

3. 把积分器当作“万能”：在高功率或要求极高均匀度的场景，积分器的随机波动会导致加工缺陷。 → 结合衍射光学均匀化片或改用折射式。

4. 忽视热效应：高功率激光经过薄膜 DOE 可能产生热‑光畸变。 → 选用 耐高功率、低吸收材料（如 CaF₂、石英）并做好散热设计。

七、结语

光束整形不再是“高深莫测”的实验室玩意，而是一套基于物理、算法与产线经验的系统解决方案。只要掌握β > 16、通光量、波长适配三大设计支柱，你就能在加工效率、产品质量、成本控制三方面实现显著提升。