平顶光束 Flat-top beams

2022-11-28 14:20:53 浏览:466

定义

具有平坦强度分布的光束。

平顶光束(或顶帽光束)是一种光束(通常是转换的激光束),其强度分布在大部分覆盖区域上是平坦的。 例如,这与高斯光束形成鲜明对比,高斯光束的强度从光束轴上的最大值平滑衰减到零。 某些激光应用需要这样的光束轮廓。 例如,在某些用于加工半导体晶片和其他材料的技术中,需要在某些区域上保持恒定的强度。 此外,当使用平顶光束执行时,在非常高功率水平下的非线性频率转换可以更有效。

平顶光束 Flat-top beams

图1:平顶光束剖面(红色)与高斯(绿色)和超高斯(蓝色)强度剖面的比较。所有三个光束都具有相同的光功率和相同的有效模式面积。

然而,通常情况下,平顶梁轮廓仍然具有一些光滑的边缘,因此可以用超高斯轮廓而不是矩形轮廓近似。 n阶的超高斯强度分布由以下等式定义:

平顶光束 Flat-top beams

阶数越高,轮廓的边缘越陡峭。

平顶光束可以是空间相干的,具有平滑的相位轮廓。 然而,用某些光束均质器制成的平顶光束在空间上是不相干的,具有相当复杂的相剖面。 在这种情况下,只有通过叠加许多光谱分量才能实现平坦的强度分布,每个光谱分量可能具有相当结构化的强度分布。

平顶光束 Flat-top beams

图2:光束质量系数M2超高斯光束作为超高斯阶的函数。(2 对应于高斯光束)。

图2显示了光束质量因数M2超高斯光束作为超高斯阶的函数。 我们越接近具有远光阶的矩形轮廓,光束质量就越差。

相干平顶光束的传播

请注意,与高斯光束相比,平顶光束不是自由空间模式。 这意味着在自由空间中传播期间,强度分布的形状将发生变化。 强度分布的边缘越陡峭,这种变化发生得越快。 图3显示了具有超高斯阶8和平坦波前的初始超高斯波束剖面的仿真示例。

平顶光束 Flat-top beams

图3:自由空间中初始超高斯光束的演化。 梁轮廓首先收缩,然后再次扩展,现在获得光滑的边缘。 请注意,调整每个配置文件的色标,以便在光束轴上实现相同的颜色饱和度;实际上,扩展光束的强度会降低。

当然,在与应用的距离内,光束轮廓的变化可以忽略不计。 对于直径较大且强度剖面边缘不太陡峭的光束,光束尺寸和形状可以保持大致恒定。

平顶光束的产生

在许多情况下,通过首先从激光产生高斯光束,然后用合适的光学元件转换其强度分布来获得平顶光束。 有不同种类的光束均质机可以使用不同的操作原理进行这种转换;有些基于衍射光学。 不同类型的光束整形器在空间相干或非相干光束轮廓、可用顶帽区域的长度、对输入光束参数的灵敏度等方面可能有很大差异。

基础光学

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