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北京海科思锐光电仪器有限公司
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平顶光整形器：将高斯光斑变成平顶光斑

单模激光的光强分布都是高斯分布，中心最强，从中心到边缘逐渐减弱。在很多应用中，这种高斯分布会带来负面影响，比如在激光精密加工中，高斯分布的激光光斑会导致光斑中心加工过度或者边缘加工不足。均匀分布的平顶光在类似应用中会展现出明显优势。平顶光整形器正是实现将高斯光斑变为平顶光斑的重要器件。

将高斯光束整形为平顶光束，主要有四种技术方案。它们在原理、性能和应用场景上各有不同，下面为你详细介绍。

技术方案总览

每种方案的优缺点及应用场景详解

1. 衍射光学元件（DOE）：追求极致精度的“雕刻师”

优点：DOE是当前工业精细加工的主流选择。它的能量转换效率很高（理论可达97%以上），能生成边缘极其锐利、均匀度极高的平顶光斑，光斑尺寸甚至可以小到接近物理极限。
缺点：它对“输入”要求非常严苛。入射的激光必须是高质量的准单模（M²接近1）光束，且光束尺寸和入射位置必须精确匹配元件设计值，否则整形效果会急剧劣化。
应用场景：主要在对精度和一致性要求极高的领域发挥作用，例如光伏电池制造中的激光掺杂和开孔（LCO）工艺，确保均匀烧蚀且不损伤下层结构。

2. 非球面透镜组：擅长远距离传输的“投影仪”

优点：这类方案最大的优势是能产生真正的准直平顶光——一个在很长距离内保持尺寸和均匀度不变的光束，传播距离可达3米以上。同时，它结构简单、光损小，成本相对可控。
缺点：光学设计自由度相比DOE较低，多用于产生圆形或方形的标准平顶光。同样，它对入射光束质量有较高要求。
应用场景：其远距离传输特性使其在需要均匀照明但空间受限的场景中价值巨大，例如高通量荧光显微镜的载玻片均匀照明，确保整个视野亮度一致。

3. 微透镜阵列（MLA）：耐受性强的“多面手”

优点：MLA采用分割-叠加的原理，对不同光束的质量和模式有极强的包容性。即使输入光束模式杂乱或指向抖动，输出均匀性依然稳定。同时，它可承受高功率激光，且输出光斑中心无亮斑。
缺点：理论上，MLA输出的“均匀”光斑是由大量小光斑拼接而成，在干涉和衍射效应下，微观均匀性可能不如DOE。
应用场景：非常适合于大光斑、高功率的激光材料加工，如激光退火、表面清洗、熔覆等，这些场景更关注宏观热效应的均匀性。

4. 液晶空间光调制器（SLM）：功能灵活的“变形金刚”

优点：它的核心优势在于动态可编程性。通过软件控制，可以瞬间将光斑从圆形平顶切换为方形、环形或任何定制图案，实现“无接触”的实时调整。
缺点：系统复杂，成本高昂，且液晶层能承受的激光功率有限（易损伤）。在要求稳定、高功率输出的工业环境中应用受限。
应用场景：多用于科研和实验室，例如研究不同光斑形状对加工效果的影响，或在光镊、激光微加工中需要动态控制光斑的场景。

如何选择？

追求极致精度、加工微米级结构：首选DOE。它是光伏、半导体等行业精密激光加工的核心器件。
需要长距离、大范围的均匀照明：非球面透镜组是最佳选择，尤其适用于照明和计量领域。
加工大尺寸工件、使用高功率激光：微透镜阵列(MLA)凭借其高损伤阈值和强适应性，是可靠的匀化方案。
从事科研或需要频繁切换光斑形态：液晶空间光调制器(SLM)为你提供了无与伦比的灵活性。

德国Asphericon公司基于非球面透镜的平顶光整形器

凭借激光光束整形产品系列中的a|TopShape、a|AiryShape和a|SqAiryShape，Asphericon公司提供了高效的平顶光束整形器，可在所有激光应用中实现最佳效果。这些基于非球面光学元件的模块化组件，能够将高斯激光光束直接转换为各种圆形和方形的平顶轮廓。得益于高精度的制造工艺，这些激光光束整形器具有无与伦比的光束质量，并可广泛应用于多种场景。

一、为准直平顶光斑设计的激光光束整形器：a|TopShape 系列

a|TopShape 是一款创新的光束整形器，可将准直的高斯光束转换为尺寸略微增大（M ≈ 1.5）、具有均匀强度分布的准直平顶光束。其特点是设计紧凑、光学质量优异（光束均匀度 < 0.1）。该激光光束整形器覆盖宽光谱范围（320–1600 nm），可接受高达 ±10% 的不同输入光束直径，并在至少 300 mm 的距离内产生稳定的光束轮廓。
使用长距离版本（a|TopShape LD），甚至可以在长达 1.5 m 的工作距离上获得均匀的光束轮廓。借助新型 a|TopShape LDX，可通过调节输入光束直径，将光束轮廓平移至远达 3 m 的大工作距离。由于有效工作距离会随光束尺寸的减小而缩短，a|TopShape LD 和 LDX 特别适用于需要较小光束直径的应用。对于光束轮廓均匀性要求不那么严格的应用，也可实现更长的工作距离。

a|TopShape 系列规格参数

▲产生准直平顶光斑
▲卓越的光学质量（光束均匀度高达 0.05），性能无衰减
▲宽光谱范围（320–1600 nm），适用于多波长应用
▲传播深度（光束均匀度 < 0.1 时）：

a|TopShape：至少 300 mm
a|TopShape LD：最长 1.5 m
a|TopShape LDX：至少 1.5 m – 可调至更长的工作距离，至少 3 m

▲输入光束直径（@ 1/e²）：

a|TopShape 和 a|TopShape LD：10 mm（±10%）
a|TopShape LDX：10.0 – 10.4 mm

▲输出光束直径（@ FWHM）：15.2 mm 至 15.7 mm 之间
▲易于与其他 BeamTuning 组件（例如与光纤准直器 a|AspheriColl）组合使用
▲激光诱导损伤阈值：12 J/cm²，100 Hz，6 ns，532 nm
▲对于更高激光功率的应用，我们建议您了解我们的 V 型镀膜选项。请联系我们，为您量身定制个性化解决方案。

灵活性

· TopShape LD 和 LDX 的主要特点是其长且稳定的传播距离。下图展示了在工作距离为 100 mm、1000 mm、3000 mm 和 4000 mm 时的强度分布。这两款产品在长达1500 mm 的距离内，均能保持 0.05 的光束均匀度。对于 TopShape LDX，通过改变输入光束直径，可以在长达 3200 mm 的距离内保证 0.06 的光束均匀度。

波长范围

激光光束整形器 a|TopShape 所覆盖的波长范围，针对的设计波长为 355 nm、632 nm 和1064 nm；a|TopShape LD 和 LDX 所覆盖的波长范围，针对的设计波长为 355 nm、405 nm、532 nm、632 nm、780 nm、1064 nm 和 1550 nm。

二、用于聚焦光束轮廓的激光束整形器：a|AiryShape & a|SqAiryShape

另一款针对300 nm至2100 nm波长范围优化的光束整形器是a|AiryShape。该光束整形元件与聚焦透镜配合使用，可将准直高斯光束转换为不同的聚焦光束轮廓（例如平顶形、环形）。得益于其紧凑的设计，a|AiryShape可以轻松集成到现有装置中。

想在焦点处产生方形平顶轮廓？a|SqAiryShape可以轻松实现。该光束整形器与聚焦透镜配合使用，可从准直高斯光束中生成不同的方形聚焦光束轮廓（例如平顶形、环形）。它针对300 nm至2100 nm的波长范围进行了优化，并以其紧凑的设计（长度仅17.3 mm）令人印象深刻，可轻松集成到现有的应用装置中。根据所使用的聚焦透镜，其工作距离可大幅缩短。将a|SqAiryShape与焦距为200 mm的透镜以及a|BeamExpander配合使用，总长度即可减少25%。

规格与技术尺寸 [mm]

▲生成多种聚焦光束轮廓
▲轮廓尺寸可通过焦距轻松缩放
▲针对 300 nm 至 2100 nm 波长范围优化
▲易于集成到现有装置中
▲高精度安装实现完美对准
▲设计紧凑
▲输入光束直径 @ 1/e² = 10 mm；输出光束直径 dAiry = 10 mm
▲激光损伤阈值：12 J/cm²，100 Hz，6 ns，532 nm

性能与灵活性
下图汇总了光束沿其传播方向（z轴）的归一化截面轮廓。检测范围为束腰位置附近 ±1.5 mm。此外，不同工作平面中相应最感兴趣的强度分布以二维图和截面图的形式展示。这两种特征光束轮廓图均使用 a|AiryShape（λ = 635 nm）生成。根据 a|AiryShape 的工作原理，不仅可以在聚焦透镜的焦平面内生成一个平顶光束轮廓，还可以在不同工作距离上生成多种轮廓，以满足您的灵活需求。图示光束轮廓的生成效果取决于输入光束质量。为获得最佳结果，需要具有最小波前像差的完美准直光束。

右图展示了 a|SqAiryShape（λ = 1064 nm）的光束轮廓截面及其在不同工作平面上的强度分布。检测范围为束腰附近±6 mm。根据 a|SqAiryShape 的工作原理，在焦点区域内不仅会生成一个方形平顶轮廓，还会产生多种具有四重对称性的轮廓。使用 a|SqAiryShape 时，光束轮廓的生成效果同样取决于输入光束的质量。为获得最佳结果，需要具有最小波前像差的完美准直光束。

波长范围
a|AiryShape 和 a|SqAiryShape光束整形器所覆盖的波长范围，对应如下设计波长 [nm]：355、532、632、780、1064、1550 和 2000。

三、针对可扩展平顶光束轮廓的光束整形器：a|TopHat Tune

a|TopHat Tune 光束整形器旨在生成各种圆形、椭圆形、正方形和矩形的平顶轮廓，光束直径范围从 0.5 mm 到大直径，使其成为材料加工及其他严苛应用中的重要工具。该器件可与不同焦距的聚焦透镜无缝集成，在调整工作距离和轮廓直径方面提供卓越的灵活性。用户只需更换聚焦透镜，即可轻松改变光束直径，同时保持均匀的光束轮廓，充分展现了该光束整形器的多功能性。a|TopHat Tune 针对 266 nm 至 2100 nm 波长范围进行了优化，并通过其高精度安装系统保证完美的对准。该激光光束整形器在光束均匀性方面也表现出色。如下文模拟的强度分布所示，该系统可产生完美均匀的强度轮廓。此外，其外径为 30 mm，可轻松适配任何标准支架（如 a|VariMount），开箱即可使用，只需连接聚焦透镜即可。

规格与技术尺寸 [mm]

▲适用于多种圆形、椭圆形、正方形及矩形平顶轮廓形状
▲针对 266 nm 至 2100 nm 波长范围优化
▲提供以下设计波长：355 nm、532 nm、632 nm、780 nm、1064 nm、1550 nm 和 2000 nm（在设计波长处性能最佳；由于采用宽带增透膜，也适用于更宽的波长范围。请注意：光束直径随波长变化）
▲输入光束直径：10 mm @ 1/e²
▲轮廓尺寸可通过焦距轻松缩放
▲光束整形器与聚焦透镜之间的设计距离：17 mm（非常适合与 asphericon 的 a|MountedAspheres 系列配合使用）或 250 mm
激光损伤阈值：12 J/cm²，100 Hz，6 ns，532 nm
▲对于更高激光功率的应用，请索取 V 型镀膜产品。

灵活性

a|TopHat Tune 在生成平顶光束方面具有卓越的灵活性。如下图所示，该器件可与不同焦距的聚焦透镜配合使用，只需更换透镜即可轻松调整工作距离和轮廓直径。这使得 a|TopHat Tune 成为一款多功能工具，适用于需要在保持光束轮廓均匀性的同时改变光束直径的各种应用场景。

左图以 a|TopHat Tune Circle Large 为例，展示了平顶直径随有效焦距（EFL）变化的关系。

为获得最佳性能，强烈建议将 a|TopHat Tune 与 asphericon 公司的安装型非球面透镜配合使用。这些透镜凭借其先进的安装设计，已预先完成精密对准，可确保快速、轻松地集成。只需将非球面透镜旋入到位，即可用最短的设置时间实现高精度的平顶轮廓。这种无缝兼容性进一步提升了 a|TopHat Tune 的便利性和可靠性，使其成为要求严苛的光学应用中的首选。

下表列出了根据所需轮廓形状和尺寸提供的所有 a|TopHat Tune 型号。