一、什么是平頂光束

平頂光束是一種光束(通常是經(jīng)過(guò)變換的激光束)，其強(qiáng)度分布在大部分覆蓋區(qū)域上是平坦的。這與高斯光束相反，例如，高斯光束的強(qiáng)度從光束軸上的最大值平滑衰減到零。某些激光應(yīng)用需要這樣的光束輪廓。例如，在處理半導(dǎo)體晶片和其他材料的某些技術(shù)中，需要在某些區(qū)域上保持恒定的強(qiáng)度。此外，在使用平頂光束執(zhí)行時(shí)，非常高功率水平的非線性頻率轉(zhuǎn)換可以更有效。

圖1：平頂光束輪廓(紅色)與高斯(綠色)和超高斯(藍(lán)色)強(qiáng)度輪廓的對(duì)比。所有三個(gè)光束具有相同的光功率和相同的有效模式面積。

然而，通常情況下，平頂光束輪廓仍然具有一些平滑的邊緣，因此可以用超高斯輪廓而不是矩形輪廓來(lái)近似它。有序的超高斯強(qiáng)度分布n由以下等式定義：

階數(shù)越高，輪廓的邊緣越陡。

平頂光束原則上可以是空間相干的，具有平滑的相位分布。然而，在實(shí)踐中制造的平頂光束(例如使用某些光束均化器，或來(lái)自多模 階躍折射率光纖)通常在空間上不相干，具有相當(dāng)復(fù)雜的相位分布。在這種情況下，平坦的強(qiáng)度分布只能通過(guò)許多光譜分量的疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)光譜分量都可能具有非常結(jié)構(gòu)化的強(qiáng)度分布。

光束質(zhì)量因數(shù)M2超高斯光束作為超高斯階的函數(shù)。

上圖顯示了光束質(zhì)量因數(shù)M2具有平坦相前的相干超高斯光束作為超高斯階的函數(shù)。我們?cè)浇咏哂懈吖馐A數(shù)的矩形輪廓，光束質(zhì)量越差;這M2因子無(wú)限制地上升(最終我們離開了可以應(yīng)用近軸近似的區(qū)域)。

二、相干平頂光束的傳播

請(qǐng)注意，與高斯光束相比，平頂光束不是自由空間模式。這意味著在自由空間中傳播期間，強(qiáng)度分布的形狀將發(fā)生變化。強(qiáng)度分布的邊緣越陡，這種變化發(fā)生得越快。下圖顯示了具有超高斯階 8 和平坦波前的初始超高斯光束輪廓的模擬示例。

自由空間中初始超高斯光束的演變

三、平頂梁的生成

在許多情況下，平頂光束是通過(guò)首先從激光器生成高斯光束，然后使用合適的光學(xué)元件轉(zhuǎn)換其強(qiáng)度分布來(lái)獲得的。有不同種類的光束均化器使用不同的工作原理來(lái)進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換;有些是基于衍射光學(xué)。不同類型的光束整形器在空間相干或非相干光束輪廓、可用頂帽區(qū)域的長(zhǎng)度、對(duì)輸入光束參數(shù)的靈敏度等方面可能存在很大差異。