高斯光束与平顶光束：特性、应用及光束整形技术详细解析

摘要：在激光技术领域，光束的特性对其应用效果起着关键作用。图1展示了实验测得的高斯光束（左）和平顶光束（右）的强度分布图。大多数常见的激光束呈现高斯强度分布，但在特定应用场景下，非高斯光束，尤其是平顶光束，展现出独特的优势。

在激光技术领域，光束的特性对其应用效果起着关键作用。图1展示了实验测得的高斯光束（左）和平顶光束（右）的强度分布图。大多数常见的激光束呈现高斯强度分布，但在特定应用场景下，非高斯光束，尤其是平顶光束，展现出独特的优势。

一、高斯光束与平顶光束特性对比

（一）高斯光束特性

高斯激光在各类光束类型的激光源中比较常见，成本效益也较高。多数高质量的单模激光器发出的光束遵循低阶高斯辐照度曲线，即TEM00模式。尽管质量欠佳的光源会存在一定程度的其他激光模式，但为简化系统建模，通常假定激光具有理想的高斯轮廓。当高斯光束和平顶光束平均光功率相同时，高斯光束的峰值辐照度是平顶光束的两倍。而且，高斯光束在光学系统中传播时，即便峰值强度或光束尺寸改变，其始终保持高斯辐照度曲线分布，传播特性稳定。

（二）平顶光束特性

平顶光束在横截面上维持恒定的强度分布，与高斯光束强度随中心距离增加而对称减小形成鲜明对比。在靶材加工时，平顶光束能够实现一致的辐照强度，这使得它在半导体晶圆加工、其他材料加工以及大功率激光的非线性频率转换等对精度和可预测性要求高的应用中表现出色。同时，平顶光束剖面无翼形部分，边缘过渡陡峭，强度传输效率更高，热影响区更小，在蚀刻、焊接或切割等操作中，能产生更干净的切口和更锐利的边缘，对周围区域损伤更小。

二、高斯光束的局限性

在实际应用中，高斯光束存在明显不足。由于应用往往依赖光束中心区域的高强度部分，两侧低强度的“翼”部分能量常常被浪费，因为材料加工、激光手术等应用均要求激光强度高于特定阈值。此外，高斯光束的两翼可能损伤目标区以外的区域，扩大热影响区，这对于追求高精度和较小热影响区的激光手术和精密材料加工很不利，导致加工材料的边缘不够光滑，降低系统精度。

三、平顶光束的应用优势

平顶光束的独特优势使其在多个领域大显身手。在激光诱导损伤阈值（LIDT）测试和其他计量系统中，其均匀的强度分布能较大程度减少测量不确定性和统计方差；在荧光显微、全息术和干涉测量系统中，也展现出明显优势。评估实际激光光束与良好平顶光束的接近程度，可依据ISO 13694标准，通过分析平整度系数(Fη)来判断，该系数通过平均辐照度值除以光束的大辐照度值得出。

四、平顶光束的缺点

然而，平顶光束并非适用于所有场景。其不具备高斯光束那样的成本效益，因为需要额外的光束整形组件将高斯光束转换为平顶光束。这些组件可内置在激光源中，也可用于激光器外的系统，但它们依赖输入光束尺寸，且对X - Y平面对准较为敏感。此外，平顶光束在传播过程中形状不稳定，入射的平顶光束在系统传输时会演变为类似艾里斑分布，与传播特性稳定的高斯光束不同。

五、平顶光束的实现方法

（一）低成本简易方案

当系统成本有限且对性能要求不高时，可采用小孔对高斯光束进行物理截断，形成伪平顶轮廓。不过，这种方法会切断并浪费高斯光束两翼的能量，且无法使光束中心强度分布均匀，仅在以维持低成本为主要考量因素时有用。

（二）高性能光束整形方案

对于追求高效利用激光能量的高性能系统，可采用多种类型的光束整形组件将高斯光束整形为平顶光束。

1. 折射型光束整形器：利用场映射非球面或自由曲面透镜及其他折射组件调控光束相位。通过伽利略透镜或开普勒透镜组件中的光学元件调控入射光束的振幅和相位，效率通常大于96%，且在器件设计范围内与波长无关。其产生的准直平顶光束特别适用于全息成像和显微系统等长距离工作的应用。还有一些折射型光束整形器可将高斯光束整形为准直的艾里斑，艾里斑经衍射透镜组聚焦后能形成具有平顶轮廓的聚焦点，满足微加工、光刻和微焊接等应用对聚焦点平顶轮廓的需求。

2. 衍射型光束整形器：借助蚀刻工艺在基板上制备特定微纳米结构形成衍射元件，利用衍射改变入射激光束的强度分布。衍射元件的效果和波长范围取决于结构的高度和区域间距，因此必须在设计波长范围内使用，否则易出现性能误差。与折射型相比，衍射型对发散角、对准和光束位置更敏感，但在空间受限的激光系统中，它通常由单个衍射元件取代多个折射透镜，既能形成平顶光束，也能形成艾里斑，具有独特优势。

3. 激光光束积分器（均质器）：由小透镜阵列组成，将入射光分离成小光束，再通过聚焦透镜将小光束叠加到目标平面，最终输出光束是各小透镜产生衍射图样的总和，可将高斯光束整形为均匀的平顶轮廓。但该系统常受随机辐照度波动影响，导致输出光束轮廓强度不完全均匀。表1对各种光束整形器进行了详细对比。

平顶光束适用于精度和效率优先于成本考量的各种激光系统。当前市场上提供折射型、衍射型等多种类型的光束整形器，为激光系统集成商提供了丰富选择。虽然表1能提供一些参考，但激光系统集成商若想充分发挥激光系统性能，还需联系专业光学元件供应商，获取关于选择光束整形器件的专业指导。