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、光捕获及操纵等诸多领域，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。

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光束整形分类

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、双折射透镜组、衍射光学元件等都属于该方法，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，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。

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光束积分法

2.1光束积分法是什么？

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。

2.2光束积分法的研究方法

近年来，光束积分法的研究一直围绕两个方向进行：

• 优化设计结构，降低元器件要求与简化装调工艺；
• 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。

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棱镜阵列方法

日本钢铁公司的Yamaguchi等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。

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

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，同时，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。

为尽量降低对棱镜加工与装调的要求，2013年，Huang等利用2组交错棱镜阵列和1组反射镜阵列进行光束整形。这种由多个棱镜组阵列组成的整形系统需要很高的光学元件同轴度和装调精度。2015年，Shi等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。2016年，Wu等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。

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。此外，棱镜中的轴棱锥自身具有分割光束的作用。

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。

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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。1985年，Dagenais 等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2所示。

图2 反射阵列光束整形原理

1997年，德国夫琅禾费研究所Ehlers等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。2007年，nLight公司在阶梯反射镜的基础上提出了垂直堆栈法。

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。研究人员已将DMD引入光束整形技术中。

同时，DMD也被应用在局域空心光束整形中。1987年，Durnin首次提出局域空心光束的概念。目前已有科研人员使用DMD产生并控制了贝塞尔、胶囊状等适用于光镊系统的光束。

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。荷兰阿斯麦(ASML)公司将基于MMA的可编程照明装置 (FlexRay)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。

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%。

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MLA方法

Yamaguchi 等于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。2014年，Qiao等利用椭圆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3所示。

图3 整形及聚焦系统

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，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。

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。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，如灰度掩模法等。为提高MLA的灵活性并提高光能利用率；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。

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。

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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。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。

作者：孟晶晶1， 2， 3，余锦2， 3， *，貊泽强1， 2， 3，王金舵1， 2， 3，代守军1， 2， 3，王晓东1， 2， 3

1中国科学院光电研究院计算光学成像技术重点实验室

2中国科学院光电研究院

3中国科学院大学

参考文献：

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

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