激光技术作为现代先进制造的核心支柱，凭借着高精度、非接触式等技术优势在激光焊接、切割等领域得到了越来越广泛的应用。然而，直接输出的高斯光斑从中心区域到边缘的功率快速衰减，导致在加工过程中存在热影响区域不均匀，加工形貌不佳等问题，这严重制约了激光加工技术在诸如半导体、航空航天等高端制造场景的进一步应用。
因此，如何得到一个能量分布均匀、轮廓尺寸可控的平顶光斑就成了推动激光加工迈向新台阶的关键。
为解决该问题，光束整形技术应运而生，主要功能是将高斯光束整形为能量分布均匀、光斑形状可控的平顶光斑。目前的光束整形技术有很多种，如非球面透镜组，微透镜阵列以及空间光调制器等，相比于其他方案，衍射光学元件（Diffractive Optical Element, DOE）以参数设计灵活，转换效率高，使用方便等优势，在科研以及工业应用中具有重要地位。

图1 匀化DOE实物图

高斯光与平顶光

图2 高斯光斑与平顶光斑

高斯光是指光能量在横截面上按照高斯分布的光束，如图2左所示，主要特征是中心能量强，向边缘逐渐减小。一般来说，高质量单模激光器的输出光可以近似看为高斯光斑。
平顶光是指在光斑区域内部分布均匀，在边缘急剧下降至零的光束，其图像如图2右所示。在激光加工领域中，平顶光斑由于分布均匀的特性，在激光表面处理等领域中具有重要地位。

匀化DOE整形原理

匀化DOE的设计是基于衍射光学原理，通过已知的入射光参数，出射光目标参数等，利用点对点映射的反射计算得到设计相位。通俗来说，是通过初始条件和结果来推导过程，匀化DOE就是通过不同手段将这个解答过程组合在元器件内部，以便科研或工业领域直接实现激光光束“平顶化”的光学元件。
匀化DOE主要有两类，其主要区别是制作工艺，一种是石英刻蚀，另一种是液晶光取向。除开制作工艺的不同，这两者的设计思路基本一致。下面将从设计流程上揭示匀化DOE是如何实现光斑整形的。

图3 惠更斯-菲涅尔原理示意图

根据惠更斯-菲涅尔原理，空间上某点的光波是由所有子波源传播到这点后相干叠加的结果，其表达式如下所示，其中，U(x, y) 和 U(x', y')分别为输入面和输出面的光场复振幅，ρ为两点间距离。

当在远场衍射时，满足夫琅禾费衍射条件，这时输出面的光场是输入面光场的傅里叶变换。这意味着，DOE输出面的光强分布由其输入面的光场（振幅和相位）的频谱决定。
此时，如果能找到一个相位分布，满足经过相位调制以及傅里叶变换后，输入的高斯光场成为目标平顶光。那么这个相位分布就是我们所求。
相位分布的求解过程通常极其复杂，难以通过直接计算得到。目前主流的做法是通过交替迭代的方式逐步收敛得到所需相位分布，典型的方式是Gerchberg-Saxton (GS) 算法。其典型流程如下。

图4 一种典型的GS算法流程图[1]

如图4所示，在输入面给定一个入射光场振幅分布，一般来说是高斯分布。给定一个我们定义的初始相位（也可以随机生成）。第一次傅里叶变换到像面，在输出面施加一个强度限制对结果强度进行代换，然后再经过傅里叶逆变换到输入面，得到了包含新相位的复振幅，再利用输入面强度限制进行约束代换，之后再经历一次傅里叶变换到像面，对比得到的结果和预期的差距。
当满足输出面目标条件时输出此时的相位分布信息，该相位分布就是经过多次循环收敛得到的近似解。

匀化DOE制作流程

通过上述过程得到了调制相位分布，将该相位分布通过不同手段组合在元器件中，得到的就是不同的衍射元件。在前文提到LBTEK的匀化DOE主要有两类，一类是高功率匀化DOE，这类DOE的材料是紫外熔融石英，这类材料具有低吸收、高损伤阈值的特性，更易兼容紫外波段下的应用场景，其结构示意图如下。

图5 LBTEK高功率匀化DOE

高功率匀化DOE制作工艺的核心手段是光刻，主要流程如下图所示。设计完成后制作掩膜（无掩膜可以省略这一步），选择基片并清洗涂胶，之后可以选择光刻或者激光直写等方式在基片上刻下相位信息，显影后刻蚀并处理即可。

图6 石英刻蚀匀化DOE制作流程示意图

另一类匀化DOE是聚合物匀化DOE，与高功率匀化DOE不同，这类DOE是典型“三明治”结构，主要是由两片N-BK7或UVFS窗口片以及一片液晶聚合物薄膜组成，如图7所示。这类DOE主要通过调控液晶分子排列方向达到调控相位的效果，整体上相位变化准连续。

图7 LBTEK聚合物匀化DOE

聚合物匀化DOE的制作关键是光诱导液晶分子取向。设计相位后，将基板清洗完毕并旋涂光配向材料。一般常用点光源扫描，通过改变入射光偏振方向得到所需相位分布图案。之后涂覆液晶聚合物，紫外光照射固化。

图8 聚合物匀化DOE制作流程示意图

综上所述，通过设计对应的调制相位，并将该相位通过不同手段固化在元器件上，即可实现将高斯光整形为形状不同的平顶光斑。

匀化DOE实际使用效果如图9所示[2]，其中左图为高斯光斑加工形貌，右图为匀化后的光斑加工形貌。可以看到，整形后的光斑加工的边缘更加陡峭，改性区域宽度减小，熔渣也有所减少。

图9 高斯光斑（左）和匀化光斑（右）加工后表面形貌[2]

结语

激光加工领域，注重的不仅仅是加工效率的提高，更是加工质量的飞跃。匀化DOE作为提升光束质量的核心器件，不再是“可选项”，而是迈向高端精密加工的必由之路。