维尔克斯光电提供。随着现代工业的发展，很多行业都要求把激光束聚焦为强度均匀、能量平均分布的平顶激光光斑(Top hat),以便在工作面使用均匀的平顶光斑进行激光处理。
平顶光斑的边缘非常锐利，即光斑顶部能量曲线迅速地下降，仅有一个极窄的 “过渡区”，这样就能产生明显的激光边界，使激光处理区域和未经处理的区域非常明晰。
Holo/Or光束整形器的典型应用包括:
· 激光烧蚀
· 激光焊接
· 激光钻孔，激光打孔
· 激光划片
· 激光显示，激光电视
· Filters for cigarettes
· 激光医学、美学激光(景观)和娱乐激光
Holo/Or光束整形器的工作原理:
激光光束整形器的基本架构如下图，包括激光光束、折射/衍射元件（折衍混合元件）和待处理表面。
图1:基本结构。
光束整形器是一个相位型的衍射光学元件(DOE)，其功能是将入射的高斯光束在一定的工作距离下转化为具有锐利边缘的平顶光斑。
每个光束整形器都对应一组特定的光学参数:
1. 波长
2. 输入光束大小(Din)
3. 工作距离(Work Distance,简称WD)
4. 输出光斑大小(Dout)
改变以上任何一个参数都会降低Holoor光束整形器的表现,甚至使光束整形器失效。
光束整形器设计注意事项
要达到好的光束整形效果,就应该选取单模激光输出(TEM00)，M2值低于1.3。如果M2太大,可以考虑插入空间滤波器(spatial filter)以减小M2值，再配合DOE衍射光学元件使用。
空间滤波器(spatial filter)由聚焦透镜、焦平面的小孔和准直透镜组成。空间过滤孔径可减少寄生的模式,这种寄生模式会在M2很大时出现，并且降低平顶光斑的表现。使用时必须注意使用小孔径,但不能小于2倍光束衍射屏的大小。过小的孔径会产生寄生干涉图样或在输出面上产生波纹。通过调整这两个镜头的焦距,空间滤波器还可以用作光束扩展器。
图2:典型的结构.
使用大的激光光束直径有两个好处。首先,大的光束直径会减小光束整形器输出公差的敏感性。其次,一个更大的输入光束将使实现更小的光斑输出,很多激光应用都希望获得很小的平顶激光光斑。
对于空间滤波器，其孔径必须大于2倍光束直径 (1/e^2)，尽量达到2.5倍。空间滤波器通常包括激光反射镜、光束扩展器、激光分束器和激光过滤器/隔板。
光束路径上所有光学元件都应该是高质量的,消除波面误差从而降低波束形成器性能。光学元件包括镜子应该高平面度规范,大的光束直径会减少其畸变的敏感性。
就像上面提到的,激光光束整形器要求输入准直光束。出于这个原因,以及稳定的目的,光束整形器应摆在激光束腰处。尽管如此,如果光束发散角很小(< 1º),不会对光束整形的输出质量产生明显的影响,而改变工作距离则会产生影响。
如果由于机械结构或其它限制,衍射光学元件(DOE)离束腰有一段距离，则必须在设计时考虑这个距离。否则，由此产生的波前像差会对输出光束产生干扰或生产波纹，其强度与DOE离束腰的距离和发散角有关。
设计平顶光束整形器还有一个重要原则就是要熟悉的物理限制的最小光斑大小，即衍射极限。衍射极限的公式:
其中:
L:工作距离
λ:波长
D:输入光束直径的大小
M2:输入激光的M2
有一个经验法则,最小激光平顶光斑的大小是衍射极限光斑的将1.5至5倍。如果要更精确的来看，则要确定看是普通的平顶光斑(Top-Hat)还是稳态平顶光斑(Stable Top-Hat)。
特性：
· 平顶光斑强度一致性：典型的±5%
· 陡峭的过渡区:通常类似于衍射极限
· 高功率阈值
· 效率高:一般> 95%
· x - y位移灵敏度: 通常5%的输入光束,保持可接受的性能。
· 对输入光束直径:通常偏差5%可保持可接受的性能。
· 旋转不敏感:为圆形时。
· 工作距离灵敏度:通常小于50%的光斑大小,以保持可接受的性能。
平顶光斑大小与衍射极限的关系
基本规则:
· 平顶光斑的大小不可能小于衍射极限
· 光斑大小和衍射极限的比例决定光束整形的质量和衍射效率。大的比例会产生更尖锐的边缘
· 光束整形器的透射区域不能<0.5 DL(衍射极限)，一般为约1倍衍射极限
同样的光斑尺寸，不同的于衍射极限的比例:
典型的应用会选择传输区域(13.5 -90%)尽可能小,平顶光斑会选择较大的均匀区域。
平顶光斑的质量系数(Qth)可以定义为:
对准和光学参数误差:
光束整形器对激光系统的各个光学参数都很敏感。当设计光学部件时,包括衍射光学元件(DOE)在内的每个参数都应该照顾,以确保这些系统参数的控制和稳定。
平顶光斑输出参数取决于相对位移和不匹配的输入光束直径。因此,可以通过扩大输入光束直径来优化。例如,对于10毫米的输入光束直径,5%的不匹配对应0.5毫米容忍度,而对2毫米的光束直径, 5%对应的就只有0.1毫米公差。
