作者：郭sy 时间：2025-07-16
贝塞尔光束整形器是一种客观设计，旨在方便地将高斯光束转换为可用的高斯-贝塞尔光束。贝塞尔光束整形镜具有几个独特功能，使其成为玻璃钻孔和切割布拉格光栅书写应用的可靠工具
Beamera贝塞尔切割头四大优势:
损坏阈值高(LIDT仅受涂层限制)
输出端具有负、正或双贝塞尔-高斯区
易于校准-可安装到标准保持架系统中
贝塞尔光束整形器可用于钕和镱激光线的1次、2次和3次谐波。
贝塞尔光束发生器的设计符合严格的稳定性、坚固性要求，这些要求是由工业激光应用所施加的，这使得它既适用于工业，也适用于要求苛刻的科学应用。
贝塞尔切割头参数
波长:1030纳米
负贝塞尔-高斯区(或正/或两者-取决于输入偏振)
最大输入(高斯)光束直径在e-2:6mm
输出贝塞尔状光束直径3.4um(图2)
输出类贝塞尔光束长度(图1)
~0.12mm(半高宽)，输入高斯光束为1mm(在1/e2处)
~0.25mm(半高宽)，输入高斯光束为2mm(在1/e2处)
~0.43mm(半高宽)，输入高斯光束为3mm(在1/e2处)
~0.53mm(半高宽)，输入高斯光束为4mm(在1/e2处)
~0.67毫米(FWHM)，输入高斯光束5mm(在1/e2时)
~0.80毫米(FWHM)，输入高斯光束6mm(在1/e2时)
工作距离:
~12毫米(负贝塞尔-高斯区)
~14毫米(正贝塞尔-高斯区)
贝塞尔光束整形器模拟
纵向和横向贝塞尔光束分布
贝塞尔光束整形器生成可立即使用的贝塞尔光束，其特性取决于输入光束大小。输入光束尺寸越大-贝塞尔区越长
图1贝塞尔光束中央强度分布(负贝塞尔光束)
图2贝塞尔光束横向强度分布图
正负贝塞尔光束区域
Beamera贝塞尔光束整形器采用平面轴棱锥镜（FLAT axicon），这是一种熔融石英窗口，其内部嵌有纳米光栅结构。当光束通过时，会与纳米结构相互作用，最终使出射光的传播特性等同于通过传统轴棱锥镜的效果。该纳米结构的独特之处在于其具有双折射特性，因此其效果取决于入射光的偏振状态。具体而言，这种平面轴棱锥镜可实现三种工作模式：
凸轴棱锥镜模式：当输入光束为右旋圆偏振光时，生成正贝塞尔光束（如图1所示）。
凹轴棱锥镜模式：当输入光束为左旋圆偏振光时，生成负贝塞尔光束（如图3所示）。
双重模式：当输入光束为线偏振光时，同时产生正、负贝塞尔光束。这一特性使贝塞尔光束的有效作用区域（亦称焦深，DOF）倍增（如图4所示）。
图3贝塞尔光束中心强度分布（负贝塞尔光束）
图4贝塞尔光束中心强度分布（正负贝塞尔光束）。Z轴表示与输出透镜的距离。
贝塞尔光束发生器测量
通过对比仿真与接近实际应用的实验测量数据，评估了贝塞尔切割头的性能，包括光束横向强度分布和z轴峰值强度分布，结果如下图所示。
图5贝塞尔光束发生器沿z的峰值强度分布（模拟与测量的比较）
图6贝塞尔光束整形镜横向强度分布比较(模拟与测量)
贝塞尔光束整形镜结论
贝塞尔光束整形器的实际运行效果与仿真结果一致，因此可以得出以下结论：
1. 光学系统的理论模型具有准确性
2. 纳米光栅平面轴锥镜是折射式轴锥镜的优越替代方案：
a. 其锥角可实现高精度、可重复的加工制造
b. 沿Z轴的峰值强度几乎无波动，表明该轴锥镜不存在折射式轴锥镜固有的"圆顶"缺陷
i. 相较于凸面型轴锥镜（通常具有0.5μm~3mm的圆形顶点）是重大改进
ii. 相比凹面型轴锥镜（通常具有＞1mm未定义形状的中心凹坑）具有革命性突破
贝塞尔光束整形镜应用案例
体内刻写的玻璃改性结构，激光束/脉冲参数未知
图7. 玻璃内部体积刻写的改性结构（激光光束/脉冲参数未测定）
图8使用Beamera贝塞尔光束整形镜在玻璃中实现激光改性长度。样品处脉冲能量130微焦。使用Light Conversion LC激光器脉冲持续时间皮秒
图9使用Beamera贝塞尔光束整形器处理的玻璃样品横截面。脉冲能量:样品130uJ。使用Light Conversion LC激光器脉冲持续时间皮秒
图10使用Beamera贝塞尔光束整形器处理的玻璃样品横截面，脉冲能量:样品中130兆焦耳。使用Light Conversion LC激光器脉冲持续时间~皮秒
贝塞尔光束沿z轴峰值强度分布的独立测试和实际结果，在正/负/双模切换的实际效果
图11.负贝塞尔光束沿z方向的峰值强度分布(输入光束偏振态：左旋圆偏振)
图12正贝塞尔光束整形器沿z的峰值强度分布。（输入光束偏振态：右旋圆偏振）
图13. 正负双模贝塞尔光束整形器轴向强度分布（输入光束偏振态：线偏振）
玻璃切割结果，非定向线性偏振
使用Tangor激光器（500微焦耳；2.5瓦；5千赫兹）配合GHz脉冲串模式进行玻璃切割。
图14.使用100W飞秒激光以GHz脉冲模式切割的1毫米厚玻璃样本的图片和切面粗糙度测量(5kHz_2,5W_500WGHz : 32ppb@1,28GHz，样品 : 玻璃 1 mm)
使用线偏振与圆偏振激光在玻璃内部进行改性效果。
图15圆偏振光加工（↻右旋偏振）在玻璃内部形成的改性结构
图16使用线偏振光加工（↕垂直偏振）在玻璃内部形成的改性结构
图17. 采用线偏振飞秒脉冲（↕）一次性切割/劈裂的3.9mm玻璃样品。中间区域-由于正负贝塞尔光束区之间的间隙而未受影响。
图18.3.9毫米厚玻璃样品中间区域的显微观测图。
