今天我们来介绍一下激光扩束和整形技术。激光扩束系统通过增大光束口径和压缩空间发散角，有效减少远距离传输中的能量扩散，显著提升激光的传播距离及靶面能量密度，在激光雷达、空间通信等领域发挥关键作用。激光整形技术则通过调控光场相位与强度分布，将高斯光束转化为平顶、环形等特定模式：平顶光束可满足微电子加工中的均匀刻蚀需求，空心光束则适用于光学捕获及生物细胞操纵。两项技术共同构成了高精度激光应用的基础支撑。
- 激光扩束
激光凭借单频性、方向性、高亮度及相干性四大核心特性，在精密制造与远距离通信等领域发挥关键作用。单频性指其窄频谱特性，可实现无干扰信号传递；方向性表现为低发散角特性，确保光束长距离传输的指向稳定性；高亮度则源于单位面积的高辐射强度，赋予激光高效能量传输能力；相干性源自光波相位的全局同步性，支撑了干涉测量等高精度应用。然而，受激光器自身出射口径限制，自由传输的激光束因高斯波前衍射效应产生波前曲率畸变，导致远场发散角加剧。因此，需要通过扩束系统调整光束准直性，从而维持远距离场景下的能量集中度，满足星地通信等应用需求。
经典的激光扩束系统主要分为三种类型：折射式、反射式和折反式。折射式的激光扩束系统最为经典也最为人熟知，通过开普勒式或伽利略式的望远镜结构即可实现激光扩束。开普勒式由两片正透镜构成共焦系统，严格几何设计下两透镜间距等于两焦距之和，并在其间形成实像焦点。下图的a类型便是开普勒式的望远镜结构。此焦点处的激光功率密度较高，极易引发光学元件损伤或空气电离，故需设置孔径光阑抑制杂散反射，但因安全风险适用于少数长脉冲低功率场景。图b为伽利略式望远结构，更为常用，采用凹透镜与凸透镜组合，光路设计中规避了实焦点，系统总长缩短，结构紧凑性占优。借助非球面可以校正球面像差，满足高精度要求，但由于色差较难校正，通常这类系统适配于单波长激光扩束，灵活性和泛用性有一定限制。
以这样激光整形系统为例，读者朋友可以尝试使用tracepro进行非序列光线追迹，我们也给出了相应案例，详情可以参考往期文章
光学系统的杂光分析（五）——以激光整形系统为例开始光线追迹
激光扩束系统发展日新月异，架构从早期单级低倍率逐步演进至多级高倍率组合设计。采用伽利略式二级扩束结构，可通过两阶段负-正透镜组串接实现逐级扩束。反射式没有色差，并且能够使得系统更紧凑，将反射式与投射式进行结合，如下图所示，更容易实现大口径和高倍率的扩束。
下图所示为一种可切换变倍的离轴反射式激光扩束器。基于主反射镜与两套次镜组的切换实现1.5x至3x倍率调节，当系统正常工作时，主镜与次镜1完成系统扩束；而当需要当需要进一步压缩出射光束的束散角时，将次镜1从系统中切出，将次镜2切入系统，同主镜组成新的扩束系统来满足更大的扩束比要求，由此实现了同一激光的不同倍率的扩束。
下图所示为两种多级的共焦抛物面反射式激光扩束系统，由多组共焦抛物面反射扩束系统串联而成，均为两级扩束系统，但构造有区别，右侧图的总长更小，出射与入射激之间的距离也更小。一级扩束系统由抛物面反射镜1、2组成，二级扩束系统由抛物面反射镜5、6组成。入射光束首先进入一级扩束模块：光束被抛物面反射镜1反射至两镜共焦点，再经抛物面反射镜2准直扩束并输出平行光，在此过程中光路经历两次90度旋转，形成空间折转路径。扩束后的光束通过双平面反射镜3和4反射以调整传播方向，进入二级扩束，最终出射光束与入射光束光路平行且反向。相较于单级9倍扩束系统，该多级系统利用离轴无遮拦结构与模块化光路折叠显著缩减外形尺寸，系统全反射式设计减少透射元件引入的能量损耗。
二、激光整形
激光束整形技术通常包括改变入射激光束的强度、相位分布、传播方式以及聚焦的焦斑和焦深尺寸等。其中，改变激光束的高斯分布光强为均匀分布最为常见，应用范围也最广泛。下面分别介绍几种常用的激光束整形技术。
非球面透镜整形
第一种是非球面透镜整形系统，多用于单模激光。以单一透镜替代传统伽利略式双分离透镜组的结构方案。此系统将透镜前表面与后表面分别加工为独立非球面，使其在功能上等效于双透镜组合，同步实现光束准直与光强空间分布均匀化。设计过程遵循能量守恒定律与等光程原理，获得非球面矢高随径向位置的数学表达式，之后再将理论矢高数据拟合为高阶非球面多项式系数。该种方法可以缩短系统长度，提高能量利用率和输出光斑均匀性。
更多关于非球面的描述与应用可以参考往期文章
【成像光学进阶】光学非球面的描述与应用
微透镜阵列整形
第二种是微透镜阵列整形系统，多用于多模激光，其示意图如下图所示。其核心结构由离散化微透镜组与聚焦球面镜组成。系统首先通过规则排布的微透镜阵列对入射激光进行子孔径分割，利用各微元透镜独立调整子光束相位及传播方向；再利用球面镜对光束聚焦，将子束重排，将激光束转变为均匀照明模式。该技术的优势在于其低敏感性，可有效处理准分子激光器等输出的非规则强度分布或多模畸变光束。然而，微透镜单元间的物理间隙会导致边缘区域发生菲涅尔衍射，同时多子束干涉形成的空间斑纹将降低靶面均匀性。为抑制此类效应，可在微透镜表面设计随机相位分布或叠加无规则相位板；进一步结合亚波长光栅周期间距调节与扩散片动态扫描技术，可提升系统对高功率激光热致形变的容差。与单片非球面系统相比，微透镜系统虽存在一定的能量损失，但适用于更高阶模场及更宽光谱范围的激光整形，有更高的均匀性。关于微透镜阵列更多介绍见往期文章：
微纳光学（五）——微透镜阵列简介
双折射透镜组整形
第三种是双折射透镜组整形系统，可调节透过率。双折射透镜组整形系统由两对参数相同而装调方向对称的平凸-平凹透镜组和一个检偏器组成。其中，平凸透镜对透镜中心光线相当于二分之一波长玻片，对透镜口径边缘光线，相当于四分之一波长玻片；平凹透镜则正好相反。固定两平凸透镜的位置，两平凹透镜一起以光轴为轴自由旋转。当输入激光束为线偏振光时，调节两组透镜之间的夹角，出射光束相应有不同的偏振态，经检偏器成为均匀的线偏振光。对于非线偏振的入射光，也仅需要在系统之前多放置一个起偏器。
其他整形方式
除了以上这些基于折射反射式的传统光学系统，随着现代科技的发展，衍射光学元件也被应用到激光整形技术中，利用BOE（二元光学元件）对激光束进行整形，理论上可实现任意波前变换，采用计算机辅助设计，以预期输出光束图样构造目标函数，通过优化算法得到BOE的相位函数，再参考加工水平对连续的相位函数进行台阶化处理，得到可加工的元件结构。简单示意图如下图所示。
关于单个衍射元件实现激光光束的高质量整形具体案例分析介绍可以参考往期文章
【光学知识】激光的全称是什么——激光基本原理||之晓光学
关于浮雕型微纳光学元件的加工可以参考往期文章
微纳光学（七）——浮雕型微纳光学元件的加工
另有一种得到目标光束的办法是使用空间光调制器，液晶空间光调制器因其规模化生产价格低廉，可动态编程，成为空间光调制器中应用最广的一类。液晶空间光调制器的一般结构如下图所示，由两偏振片夹一液晶显示层构成，主要是通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对入射光束的波面振幅和相位的调制。利用液晶空间光调制器进行激光束整形，是将激光束发出的光束，是利用液晶空间光调制器的振幅或相位调制特性，去模拟非球面透镜或者BOE的相位分布特性，用计算机控制其调制模式，得到需要的目标光束，具有实时性。
三、总结
激光扩束与整形技术是提升激光性能与拓展应用场景的核心手段。扩束技术通过折射式、反射式与折反式系统优化激光传播特性，其中反射式系统凭借大口径、高倍率与无光谱色差优势，成为高能远距应用的首选。整形技术则聚焦光场精细调控，非球面透镜、微透镜阵列、双折射透镜组分别适配单模/多模激光的均匀化需求，而衍射光学元件与空间光调制器通过动态波前设计突破传统光学极限，实现了实时可编程的光场重构能力。
未来发展方向将围绕微型化集成、智能化调控与跨尺度兼容性展开，超表面的发展可进一步压缩光路规模；深度学习算法与实时反馈系统的融合，有望解决微透镜干涉、能量损耗等瓶颈。