Знания о лазерах：Преобразование гауссова пучка в пучок с верхним наконечником 

Преобразование гауссова пучка в пучок с верхним наконечником

Пучок с верхним наконечником (TH) имеет плоское, равномерное распределение интенсивности, острые края и быстрое падение энергии до нуля. Пучки с верхним наконечником могут быть квадратными, прямоугольными, прямыми, круглыми или любой другой формы.

По сравнению с гауссовым пучком, пучок с верхним наконечником не имеет крыльев и имеет более крутой переход по краям, что обеспечивает более эффективную передачу интенсивности и меньшую зону термического воздействия. Травление, сварка или резка с помощью пучка с верхним наконечником более точны и наносят меньше повреждений окружающим областям. Это ключевое преимущество пучков с верхним наконечником делает их пригодными для широкого спектра применений. В системах измерения порога повреждения лазером (LIDT) и других метрологических системах равномерное распределение интенсивности пучка с верхним наконечником минимизирует неопределенность измерений и статистический разброс. Пучки с верхним наконечником также эффективны в системах флуоресцентной микроскопии, голографии и интерферометрии.

Лучи с вершиной, заострённой на вершине, обычно преобразуются из гауссова пучка лазерного источника. Существует несколько основных методов преобразования:

1. Использование дифракционного оптического элемента (ДОЭ)

Этот метод использует эффект дифракции для изменения профиля пучка системы. ДОЭ с заданным распределением фазы проектируется с помощью программного обеспечения для преобразования гауссова пучка лазерного источника в луч с вершиной, заострённый на вершине. Преимуществами этого метода являются высокая свобода проектирования и возможность достижения сложной формы пучка. Однако его недостатками является то, что из-за использования дифракционного элемента коэффициент пропускания системы низкий, что приводит к получению глубокого и короткого пучка с плоской вершиной. Он также не подходит для применения в мощных лазерах из-за теплового линзирования, которое может привести к дрейфу фокуса.

Этот метод подходит для приложений, требующих высокой точности формы пучка, таких как высокоточная лазерная обработка и оптические измерения.

2. Формирование пучка с плоской вершиной

Используя принципы геометрической оптики, пучок с плоской вершиной формируется путём моделирования оптической системы с использованием призм, линз типа «муха», сферических или асферических линз и т. д. Преимуществами этого метода являются высокий коэффициент пропускания и высокая термостойкость оптических элементов, что делает его пригодным для применения в мощных лазерах. Недостатками же являются высокая стабильность источника света, а флуктуации интенсивности источника света существенно влияют на эффект формирования пучка с плоской вершиной.

3. Формирование с помощью модуляции фазовой пластины

Формирование пучка с плоской вершиной достигается путём изменения распределения фазы пучка. Передаточная функция фазовой пластины рассчитывается с помощью преобразований Фурье для достижения распределения комплексной амплитуды выходного пучка с плоской вершиной. Этот метод требует высокой точности изготовления фазовой пластины, в противном случае будет нарушена однородность пучка с плоской вершиной.

4. Формирование пучка с пространственной регулировкой в ​​жидком кристалле

Используя двулучепреломление молекул жидкого кристалла, фаза и амплитуда пучка управляются электрическим полем. Этот метод обеспечивает высокую гибкость и позволяет динамически регулировать форму пучка. Однако низкий порог повреждения делает его непригодным для использования в мощных лазерах.

5. Интегрированное электрическое формирование пучка

Объединяя кварцевую волновую пластину, пространственно-переменную волновую пластину и высококонтрастный поляризатор, этот метод обеспечивает быстрое переключение между гауссовым и плоским пучками с помощью электрического управления. Этот метод отличается коротким временем переключения (0,2 секунды), высокой эффективностью преобразования (70%), широким диапазоном длин волн (250–2000 нм) и высоким порогом повреждения (10 Дж/см² при 10 нм при 1064 нм).

6. Формирование многомодового оптического волокна

Этот метод позволяет получить выходной пучок с плоской вершиной, регулируя угол падения света и изменяя коэффициент распространения света в волокне. Этот метод прост в реализации, но характеризуется низкой эффективностью оптического волокна и значительными потерями энергии. Равномерность выходного светового пятна зависит от числовой апертуры (NA) волокна.