概述

在光学和激光技术中，实现对光束形状和特性的精确控制对多种应用都非常重要。本文将讨论复杂光束整形、其应用和近期的相关研究。

什么是光束整形？
 

为了优化激光系统的各种应用，如材料加工、医疗、通信和科学研究，通常需要对激光光束进行整形。光束整形是指通过控制光束大小、发散和强度分布等参数来调整激光光束的特性，以满足特定要求。例如，通过使用改变光束空间特性的透镜、反射镜和光学元件来控制激光光束的大小和发散，对于将能量精确地引导到所需位置至关重要。自适应光学系统可实时动态调整光束参数，以补偿环境因素影响并提高性能。

图片来源：Vladimir Nenezic/Shutterstock.com

如何实现复杂光束整形？
 

复杂光束整形是指利用先进的光学元件（如衍射光学元件或空间光调制器）来塑造光束的轮廓，从而操纵光或其他电磁波以实现所需的空间强度分布。要实现最佳的塑形效果，需要复杂的设计算法和精密的光学元件，需要波前工程理论和实践方面的专业知识。例如，SLM 是动态控制整个光束中光波相位和振幅的精密器件，可在光束轮廓需要快速变化的应用（如光通信）中实现实时光束整形。同样，全息技术对于需要复杂光束轮廓或定制焦点图案的应用也特别有用。

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最新研究
 

用于光束整形的创新Meta-Q-Plate

在 2016 年的一项研究中，研究人员通过Meta-Q-Plate的概念介绍了光束整形领域的突破性发展。研究人员利用液晶光控取向和动态微光刻系统展示了具有任意空间变化光轴的Meta-Q-Plate。这种创新方法可以制造出具有多重、方位角/径向拓扑电荷和初始方位角变化的meta-Q-plates。因此，可以产生具有椭圆、不对称、多环和飓风横向剖面的复杂光束，从而在操纵光学涡旋方面实现前所未有的灵活性。

模拟和实验验证。meta-q-plates的模拟 LC 指向矢分布（上）和相应的输出横向剖面（下）：(a) n = 5，q = 2~4，(b) n = 7，q = 2~5，(c) n = 9，q = 2~6。指向矢分布的色条表示从 0 到 π 变化的指向矢，横向剖面的色条表示相对光强。在入射偏振为 (d) 左旋和 (e) 右旋的情况下，n = 10、q = 2~6.5 的 meta-q-plate 的模拟横向剖面（上图）和相应的实验结果（下图）。(f) 输出光束与球形线性偏振参考波的迈克尔逊干涉图模拟图（上）和实验图（下）。资料来源：Wei Ji 、Chun-Hong Lee等人，《Meta-q-plate for complex beam shaping》，《Scientific reports》（2016）。

这项研发大大增强了光束整形的能力，提供了一种以点对点方式控制偏振和光的空间自由度的新方法。meta-Q-plate设计为光学操纵、基于 OAM 的信息学、量子光学及相关领域的发展开辟了新途径。

利用数字透镜优化复杂光束整形
 

在最近的一项研究中，研究人员利用像素化空间光调制器（SLM）解决了光束整形中长期存在的零阶衍射难题。他们引入了一种创新方法，通过在 SLM 上的相位全息图中加入非对称三角形反射器、数字闪耀光栅和数字透镜来实现无零阶光束整形。通过增加数字透镜相位来增强现有的复振幅编码算法，研究人员成功地生成了复杂无零阶衍射光束。

通过增加数字透镜相位来增强现有的复振幅编码算法，研究人员成功地生成了复杂无零阶衍射光束。研究重点是优化光束整形配置，同时考虑小角度照明和垂直输出角等因素。模拟和实验验证证明了所提方法的有效性，为复杂光束整形，尤其是涉及高功率激光器的应用提供了一个前景广阔的解决方案。

克服金属快速成型制造中的挑战
 

2022 年的一项研究通过采用先进的光束整形技术，解决了激光粉末床融合技术--用于制造金属部件的增材制造（AM）技术中面临的挑战。由于存在大的热梯度和熔池不稳定性等问题，传统的高斯光束通常会导致机械性能不佳。

该研究引入了振幅、相位和偏振形状的激光束来控制粉末床的光热分布。具体来说，与高斯光束相比，使用贝塞尔光束可改善性能，如减少孔隙率、增加零件密度和降低表面粗糙度。贝塞尔光束在熔池中表现出更大的长宽比，降低了对焦平面定位的敏感性，稳定了熔池湍流，并减少了飞溅。这种方法增强了3D打印结构的机械和形态特性，为实现复杂的光束整形以改进金属增材制造提供了一种前景广阔的解决方案。

通过调整光的振幅、相位和偏振，展示激光光束整形机理的示意图。资料来源：Thejaswi U. Tumkur等人，《Metal Additive Manufacturing using complex beam shaping》，《Procedia》（2022）。

复杂光束整形的应用

复杂光束整形在多个领域都有广泛应用，包括材料加工、生物医学、通信和传感。例如，在激光手术和治疗等医疗应用中，复杂光束整形有助于精确瞄准组织，最大限度地减少对周围区域的损害，提高医疗过程的整体效果。

同样，复杂光束整形可确保高效的能量传输，在切割、焊接和雕刻等激光材料加工操作中最大限度地减少热损伤。在光通信系统中，复杂光束整形可优化信号传输和接收。例如，在激光雷达和其他传感应用中，定制的激光束可提高距离和深度测量的精度和分辨率。
 

结论
 

总之，实现复杂光束整形对于优化激光系统的各种应用至关重要。通过meta-Q-plates和数字透镜等创新技术精确控制光束特性的能力为光学领域带来了新的可能性。最近的一些研究，如克服零阶衍射挑战和利用贝塞尔光束改进金属增材制造，都突出了复杂光束整形的重要性，并有助于在各个领域提高性能、减少损坏和提高精度。

参考文献：

【1】Ji, W., Lee, C. H., Chen, P., Hu, W., Ming, Y., Zhang, L., ... & Lu, Y. Q. (2016). Meta-q-plate for complex beam shaping. Scientific reports. 
 

【2】Liang, Y., Yun, X., He, M., Wang, Z., Wang, S., & Lei, M. (2022). Zero-order-free complex beam shaping. Optics and Lasers in Engineering.

【3】Schmidt, S., Thiele, S., Toulouse, A., Bösel, C., Tiess, T., Herkommer, A., ... & Giessen, H. (2020). Tailored micro-optical freeform holograms for integrated complex beam shaping. Optica. 

【4】Sivarajah, Ilamaran. (2023, May 15). A Guide to Laser Beam Shaping Techniques. 

【5】Tumkur, T. U., Guss, G., Roehling, J. D., Khairallah, S. A., & Matthews, M. J. (2022). Metal Additive Manufacturing using complex beam shaping. Procedia.