一种高精度的通用光束整形技术，可用于从紫外到近红外波段的各类激光器

据麦姆斯咨询报道，日本大阪大学（Osaka University）的研究人员开发出一种技术：通过优化虚拟相位光栅，无需增加额外成本，即可提升传统方法获得的激光光束整形（laser beam shaping）和波前的精度。该研究成果已发表于Scientific Reports。

高质量的方形平顶光束已被广泛应用于各类领域，如均匀激光加工、医学以及用于加速器与核聚变中超高强度激光应用等。光束形状是实现激光潜在性能和效果的关键所在。然而，由于光束形状和波前因激光变化而异，因此光束整形对于产生所需形状以满足各种需求来说至关重要。

针对各类应用已经开发出了静态和自适应光束整形方法。衍射光学元件（DOE）作为一种静态方法，其边缘陡度和平坦度较低，光束整形后会发生波前形变。此外，计算机生成的全息图（CGH）作为一种典型的自适应方法，也存在同样的困难。

同时，研究者也开发出了一种自适应波束整形技术，采用在光学4F系统中傅里叶平面上具有空间频率滤波的空间光调制器（SLM）上编码的相位光栅。该传统方法是通过空间控制衍射效率，可在无波前形变下产生方形平顶光束。然而，由于提取和残留分量在傅里叶平面中有重叠，因此需要从提取分量中分离出高空间频率（HSF）分量，从而限制所得到的光束形状的平坦度和边缘陡度。

在本研究中，研究小组开发出一种高精度的通用光束整形技术，可用于从紫外到近红外波段的各类激光器。

这种方法利用虚拟对角相位光栅对傅里叶平面中的残留与提取分量进行空间分离，并通过使光栅向量kg不平行于所需光束剖面的法向量kx或ky来消除重叠；在传统方案中，这些向量彼此相互平行。

通过有效地利用只包含HSF的提取分量，实现了高分辨率的光束整形。获得了所有角形平坦的高度均匀的平顶光束，从而将整形光束的边缘高度抑制到20μm，小于传统垂直相位光栅的20%。

该论文的通讯作者Yoshiki Nakata说：“我们的方法可以通过提高分辨率和精度来优化光束形状，这将为基础研究、制造和医学工程等领域做出贡献。在传统光束整形系统中，只需改变空间频率滤波器和编码在SLM上的相位光栅，无需增加额外成本，即可显著提高光束整形的精度。”