激光整容 基于衍射光学的激光光束整形技术

著作者

*聂1、赵1、1、范仲伟1、于刚2

中国科学院光电研究所半导体泵浦激光工程中心

中国科学院力学研究所先进制造过程力学重点实验室

衍射光学是基于光波衍射理论的光学新分支，是光学和微电子技术相互渗透和交叉形成的边缘学科。基于衍射光学的光束整形技术可以实现任意的波前变换，可以将原始激光束整形为满足特定空强度分布要求的光束。

同时，衍射光学整形元件具有体积小、重量轻、易于复制、成本低、衍射效率高、设计自由度大、材料选择性宽、色散性能独特等特点，能够实现传统光学器件难以实现的阵列、集成和任意波面变换功能，在光束整形领域具有广阔的应用前景。

利用衍射光学整形元件，可以实现点阵、平顶、环形和二维非对称复杂形状，为激光在工业、医学、光通信、核聚变、国防等领域的应用拓宽了道路。

光束整形问题本质上是在给定输入和输出的情况下求解逆衍射的光学问题。设计衍射光学整形元件的基本思想是了解光学系统输入和输出平面上的光强分布，以及如何计算整形元件在输入平面上的相位分布，使其能够正确地调制入射光场，高精度地给出期望的输出图样，从而实现所需的光束整形功能。

下面我们就来看看基于衍射光学的各种激光束整形技术的研究进展，包括达曼光栅、几何变换和G-S算法实现点阵、多环和特殊图形的输出整形光束。

整形光束分类

1达曼光栅设计点阵整形光束

达曼光栅是一种傅里叶变换分束器。输出光斑阵列的光强均匀性不受入射光波分布的影响，可以产生随机排列的点阵。便于设计和加工。因此，它应用广泛，通用性强，用于光互连、信息并行读取或作为逻辑阵列器件的光源。通过将达曼光栅放置在傅里叶变换透镜的前面，并用单位振幅的平面波照射，将在透镜的后焦平面(即光谱平面)上获得等间距的光学晶格分布。传统的达曼光栅设计可以输出等强度的点阵分布，其扩展的均匀采样矩形孔径达曼光栅设计可以输出多样化的点阵分布图形。光束整形示意图如图1所示，不同点阵的整形输出如图2所示。

图6各种形状光束的输出图

现在，在了解了基于衍射光学的光束整形的几种设计方法之后，让我们来看看针对具体应用需求而开展的光束整形技术的研究，如激光表面强化、激光微加工、激光热载荷实验等。

整形光束的应用

1在激光表面硬化中的应用

激光表面硬化技术在工业上得到广泛应用，因为激光表面硬化技术可以有效防止金属材料表面的磨损和裂纹。在激光表面强化中，可以充分利用激光束的时间空分布特性，获得理想的强化参数。激光束之间的强度分布空决定了活性表面的能量分布，直接影响活性表面的温度场分布，进而影响材料结构的演变和强化层的力学性能。因此，在激光相变强化研究中，激光束间光强分布的整形空对结构演化、工艺和性能优化具有重要意义。

在激光表面硬化中，由于普通高斯光束聚焦形成直径较小的圆形光斑，对大中型材料表面进行处理需要很长时间，为了彻底处理材料表面，不可避免的会产生光斑重叠，造成局部回火软化，影响处理效果。而点阵分布的整形光束作用在金属表面，可以提高加工效率和均匀性，如图7所示。

图7点阵整形光束的激光表面硬化效应

X 2在激光微加工中的应用

皮秒脉冲激光具有脉宽窄、峰值功率高和“冷加工”的特点，可用于各种材料的精细加工，包括钻孔、切割、选择性去除、微结构制备等。，并已广泛应用于航空航天、国防、材料、医药、生物等领域的精密加工。传统的皮秒激光微加工大多直接使用高斯分布的输出激光束。但由于高斯光束固有的分布特性，当边缘光束刚刚实现金属材料的有效熔化时，光束中心峰值强度处的温度值高于材料的汽化点，导致加工效果不均匀。

平顶整形光束在光斑横截面上的能量分布基本均匀。当使用这种光束对金属材料进行微加工时，可以通过调节激光束的能量/功率密度来提高激光微加工的平滑度和均匀性。用平顶整形光束进行皮秒激光划片实验，共焦显微镜检测结果如图8所示。该研究为光束整形技术在激光微纳加工中的进一步应用提供了技术参考。

图8平顶整形光束皮秒激光划片效果图

3在激光热负荷实验中的应用

随着柴油机高功率密度和高紧凑性的发展趋势，高热负荷对燃烧室部件的热损伤更加突出。热负荷测试平台是评价受热零件热强度的有效手段。由于激光的能量和功率密度在时间和空上是可控的，因此激光可以作为热源进行零件热负荷试验研究。激光热负荷研究的关键是简单、可控、高效、准确地模拟实际工况下零件表面热负荷的温度场分布。为了模拟实际工况下零件表面的温度分布，需要将原始光束整形为特定光强分布的激光束，使零件表面的温度分布满足实际工况下的要求，从而进行热载荷试验研究，为零件的热疲劳寿命分析提供可靠的试验依据。

某气缸盖热负荷试验采用非对称非均匀形梁进行，火面温度场分布如图9所示，关键点实测温度与实际工况下的结果对比如图10所示。结果表明，非对称非均匀形状的横梁可以使气缸盖的火面产生与实际工况一致的温度分布。在实际气缸盖激光热负荷试验中，高、低循环热负荷试验可以采用自然冷却和空气冷却相结合的时间和温度控制方式进行。

图9整形梁加载的气缸盖火面温度分布

图10关键点温度测试值与实际工况结果对比

总结

随着激光应用领域的逐渐扩大，对激光束之间的强度分布提出了越来越高的要求空，传统激光束的整形技术成为解决这些问题的关键。基于衍射光学的激光束整形技术具有设计灵活、结构简单的特点，为实现激光束空之间强度分布的多样化提供了参考和设计依据。面对不同应用背景下空之间特定光强分布的光束整形需求，需要进行详细的初步技术评估，选择合理的整形设计方法和优化方案，充分考虑制造加工误差对光束零级的影响。