作者

*聂树真1，赵天卓1，肖红1，樊仲维1，虞钢2

1 中国科学院光电研究院半导体泵浦激光工程中心

2 中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室

衍射光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于衍射光学原理的光束整形技术，能够实现任意的波前变换，可以将原始激光束整形为满足特定空间强度分布需求的光束。

同时，衍射光学整形元件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点和能实现传统光学器件难以完成的阵列化、集成化及任意波面变换等功能，在光束整形领域中具有广阔的应用前景。

利用衍射光学整形元件可实现点阵、平顶、环状以及二维非对称复杂形状等整形光束，为激光在工业、医学、光通讯、核聚变、国防等各个领域应用拓宽了道路。

光束整形问题本质上是一个给定输入和输出，求解逆衍射的光学问题。衍射光学整形元件设计的基本思路是已知光学系统中输入和输出平面上的光强分布，如何计算输入平面上整形元件的相位分布，使其正确调制入射光场，高精度的给出预期输出图样，以实现所需光束整形的功能。

下文带大家一起看看各种基于衍射光学的激光光束整形技术的研究进展，主要包括达曼光栅（Dammann Grating）、几何变换法和G-S算法（Gerchberg-Saxton）实现点阵、多圆环、特殊图形等的输出整形光束。

整形光束分类

1达曼光栅设计点阵整形光束

达曼光栅是一种傅里叶变换型的分束器，输出光斑阵列的光强均匀性不受入射光波分布影响，能够产生任意排列的点阵，并且设计和加工都较方便，因此它的适用面广、通用性强，被用于光互连、并行读取信息或作为逻辑阵列器件的光源等。将达曼光栅置于傅里叶变换透镜前，经单位振幅的平面波照射，将在透镜的后焦面（即频谱面）上得到间距相等的光点阵分布。传统的达曼光栅设计，可输出等强度点阵分布，对其扩展的均匀采样型矩形孔径达曼光栅设计，能实现输出多样化的点阵分布图样。其光束整形原理图如图1所示，不同点阵的整形输出如图2所示。

图1 点阵光束整形原理图

图2 点阵整形光束输出图

2几何变换法设计圆对称整形光束

基于能量守恒原理和几何变换方法进行光束整形的设计，可以在指定的输出面上产生具有特定强度和位置分布的多圆环光束。此方法根据能量比例分割输入面孔径，使其成为多个圆环区域，每个圆环区域分别与输出面上的多个圆环区域相对应。已知入射面的光强和出射面上多圆环的强度和位置分布，即可根据能量守恒公式，求解出入射面上各点与出射面上对应位置的关系，由此可计算出整形元件的相位分布。其光束整形原理图如图3所示，所设计的不同圆环输出的结果如图4所示。

图3 多圆环光束整形原理图

图4 多圆环整形光束输出图

3G-S算法设计多样性整形光束

G-S算法具有很强的设计灵活性，可以输出点阵、环状、非均匀分布等多样空间强度分布的整形光束。采用G-S算法计算光束整形元件的相位，主要计算流程如图5所示：首先以初始相位和已知输入面光场的振幅分布开始，做傅里叶变换；接着引入输出面限制条件，即以已知或要求的振幅分布取代原振幅部分，同时保持相位不变；然后做反傅里叶变换，对结果做输入面光场限制，即以已知输入光强振幅分布取代其振幅部分，仍保持相位不变，再做傅里叶变换，如此循环直至得到满意结果。G-S算法虽然具有较好的快速收敛性和较高的计算收敛速率，但是对初始值非常敏感，易陷入局部极小点，因而也相继提出了对G-S算法的许多改进算法。根据G-S算法设计的多样整形光束如图6所示。

图5 G-S算法计算流程

图6 多样整形光束输出图

现在了解了几种基于衍射光学的光束整形设计方法后，再来看一下针对具体应用需求已开展的光束整形技术研究，如激光表面强化、激光微加工和激光热负荷实验等。

整形光束的应用

1在激光表面硬化中的应用

激光表面硬化技术已经广泛应用于工业界，因为激光表面硬化技术可以有效防止金属材料表面的磨损和裂纹发生。激光表面硬化中可以充分利用激光束的时空分布特性以得到理想的强化参数。激光束空间强度分布决定了能量在作用面上的分布，直接影响了作用表面温度场的分布，进而影响材料组织的演化和强化层的力学性能。因此对激光束空间强度分布的整形研究对于激光相变强化研究中的结构演化、工艺和性能优化具有非常重要的意义。

在激光表面硬化中，由于通常的高斯光束经聚焦后形成直径很小的圆光斑，不管是连续还是脉冲形式扫描，处理大中型材料表面都需要较长时间，并且为了完全处理材料表面，就难免产生光斑重叠，这样会引起局部回火软化，影响处理效果。而利用点阵分布的整形光束作用于金属表面，能够起到提高加工效率和均匀性更好的处理效果，如图7所示。

图7 点阵整形光束激光表面硬化效果

2在激光微加工中的应用

皮秒脉冲激光具有脉宽窄、峰值功率高和“冷加工”的特性，可应用在多种材料的精细加工中，加工方式涵盖了打孔、切割、选择性去除、微结构制备等，已实现了在航空航天、国防、材料、医学、生物等领域精密加工中的广泛应用。传统皮秒激光微加工大多直接采用高斯分布的输出激光束，但由于高斯光束的固有分布特性，使得在边缘光束刚实现金属材料的有效融化时，光束中心的强度峰值处温度值已高于材料的汽化点，由此带来加工效果的非均匀性。

平顶整形光束在光斑横截面内能量分布基本均匀，利用此类光束对金属材料进行微加工时，可以通过调节激光光束的能量/功率密度，提高激光微加工的平滑化和均匀性。采用平顶整形光束开展了皮秒激光划刻实验，利用共聚焦显微镜所检测的结果如图8所示。此研究的开展，为光束整形技术在激光微纳加工领域的进一步应用提供了技术参考。

图8 平顶整形光束皮秒激光划刻效果图

3在激光热负荷实验中的应用

伴随高功率密度、高紧凑柴油机的发展趋势，由高热负荷引起的燃烧室部件热损伤问题更加突出。热负荷实验平台是评价受热件承受热强度的有效手段，由于激光在时间和空间能量及功率密度可控的特点，可采用激光作为热源，开展零部件的热负荷试验研究。激光热负荷研究的关键在于简易、可控、高效、准确的模拟实际工况下零部件表面所承受的热负荷温度场分布。而要模拟零部件表面在实际工况下的温度分布情况，就需将原始光束整形为具有特定光强分布的激光束，使得作用后零部件表面的温度分布能够满足实际工况下的要求，以此来开展热负荷试验研究，才能为零部件的热疲劳寿命分析提供可靠的试验依据。

利用非对称非均匀整形光束开展了某气缸盖的热负荷试验工作，所产生的火力面上温度场分布如图9所示，关键点处的实测温度与实际工况下的结果对比如图10所示。研究结果表明：此种非对称非均匀整形光束可使气缸盖火力面产生与实际工况相符合的温度分布结果。在实际气缸盖激光热负荷试验中，通过时间和温度控制模式，结合自然冷却及风冷方式，即可开展高、低周热负荷试验。

图9 整形光束加载气缸盖火力面的温度分布

图10 关键点处温度测试值与实际工况下结果的对比图

总结

随着激光应用领域的逐步扩大，对激光光束空间强度分布提出了越来越高的要求，针对传统激光束的整形技术成为解决这些问题的关键。基于衍射光学的激光光束整形技术由于具备设计灵活、结构简单等特点，为实现激光光束的空间强度分布多样化提供了参考和设计依据。面对不同应用背景下的具有特定空间光强分布的整形光束需求，还要经过详细的初步技术评估，选取合理的整形设计方法和优化方案，并充分考虑制作加工等误差对光束零级的影响。

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