《Optics & Laser Technology》：Lensless beam shaping for zero-order-free flat-top beams in femtosecond laser processing
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提出基于扩展Gerchberg-Saxton算法的无透镜激光束整形系统，通过菲涅尔衍射积分替代傅里叶变换，抑制零级衍射光束能量聚集。数值模拟显示平面顶束均匀性达95.7%，实验验证91.7%，有效减少硅基材料加工缺陷，提升高功率激光应用安全性。
陈文强|毛建勇|陈凯|李迅|谭宇|李明|张雷
中国西安交通大学电子科学与工程学院，教育部物理电子与器件重点实验室及陕西信息光子技术重点实验室，西安710049
摘要
在激光束成形应用中，由像素化空间光调制器（SLM）的非活性区域产生的零阶光束仍然是一个持续存在的挑战。在传统的基于透镜的傅里叶变换系统中，聚焦的零阶分量具有足够的能量密度，可能导致不受控制的烧蚀，从而产生不希望的表面瑕疵。为了解决这个问题，我们提出了一种基于扩展的Gerchberg-Saxton（EGS）算法的无透镜束成形系统。该方法本质上将零阶强度限制在入射能量密度水平，从而防止了由烧蚀引起的表面损伤。通过用菲涅尔衍射积分替换傅里叶变换，EGS方法实现了无透镜操作，同时获得了与传统基于透镜的系统相当的性能。数值模拟表明，EGS生成的方形平顶光束的均匀性达到了95.7%。实验光学测量确认了91.7%的均匀性，零阶衍射分量的强度可以忽略不计。在硅基底上的激光加工试验表明，EGS方法有效地抑制了零阶引起的缺陷，证明了其在高精度制造功能器件方面的可行性。
引言
微纳结构和材料已在包括光电子学、能源科学和生物医学工程在内的广泛领域得到应用[1,2]。飞秒激光微纳制造由于其无与伦比的能力（如亚微米特征分辨率、加工灵活性和广泛的材料兼容性），能够实现微机械系统[3]、微电子器件[4]和微光学组件[5]的高精度加工。然而，激光能量分布的高斯形状本质上限制了其在制造锐利轮廓或陡峭侧壁方面的应用，在这些情况下，平顶光束更为有利[[6], [7], [8]]。为了解决这一限制，提出了各种束成形技术将高斯光束转换为平顶光束[[9], [10], [11], [12]]。其中，空间光调制器（SLM）由于其可以通过全息设计对光场属性（包括振幅、相位和偏振）进行编程调制而成为一种突出的方法，使其非常适合生成可定制的平顶光束[[13], [14], [15], [16]]。然而，SLM的像素化相位调制架构本质上会产生一个零阶衍射光束，该光束来自光学非活性区域，并与预期的平顶光束同时出现在成像平面上。传统的迭代相位恢复算法（如Gerchberg-Saxton（GS）算法）通常在实验设置中使用傅里叶透镜来执行光学傅里叶变换，在焦平面上生成平顶分布。这种方法还会将零阶光束聚焦到一个高能量密度的点[17]。在高功率飞秒激光加工应用中，这样的零阶分量可能会引入缺陷并带来严重的操作风险，从而影响加工质量和系统安全性。
人们已经付出了大量努力来减轻全息束成形系统中的零阶光束问题。一种广泛采用的策略是在SLM上编码一个闪耀光栅相位，以在空间上将零阶分量与成形的平顶光束分离[18]。然而，即使进行了空间分离，零阶光束在高功率激光应用中仍然是一个关键挑战。当通过傅里叶透镜聚焦时，零阶光束仍具有足够的能量密度来烧蚀大多数材料，导致扫描过程中出现意外的局部蚀刻或重复曝光。此外，闪耀光栅的引入降低了能量利用效率，因为会产生多个衍射级次，从而消耗了可用的光能。提出了其他方法来解决这个问题。张等人提出了球面和线性相位调制技术，分别实现零阶光束的轴向和离轴分离，但这些方法在隔离后仍然难以处理高能量的零阶光束[19]。梁等人开发了一种方法，将非对称三角形反射器和集成数字光栅透镜功能纳入SLM相位全息图中，有效规避了零阶衍射，同时实现了复杂的束成形[20]。尽管这种方法消除了零阶分量，但数字光栅的使用降低了SLM的衍射效率。余等人提出了一种基于SLM的仅相位方法，生成一个可编程的校正光束，与来自SLM非活性区域的零阶光束进行破坏性干涉[17]。虽然这种方法在抑制零阶分量方面有效，但需要针对不同材料动态调整功率，因此需要为每种新结构重新校准校正光束，从而增加了操作复杂性。总之，现有的零阶抑制方法在能量效率、零阶光束的实际处理或系统适应性方面都存在特定限制，这突显了在高功率飞秒激光束成形应用中需要一种强大且实用的解决方案的迫切需求。
在这里，我们提出了一种基于扩展的Gerchberg-Saxton（EGS）算法的无透镜平顶光束成形方法，有效地减轻了零阶光束的影响。通过在迭代优化过程中用菲涅尔衍射积分替换传统GS算法中的傅里叶变换，零阶分量被分散到目标平面上，而不是像基于透镜的系统那样集中在高能量的焦点上。数值模拟表明，EGS生成的平顶光束的均匀性超过了95%。实验光学测量确认了91.7%的光束均匀性。这种方法显著降低了零阶光束的强度，这一点通过成功制造出具有可忽略加工缺陷的微结构得到了进一步验证。所提出的无透镜方法在实际的高功率激光加工应用中展示了巨大的潜力。
方法论
在反射型SLM基束成形系统中，通常采用小角度照明配置，以确保反射的成形光束能够正确投影到图像平面上，如图1(a)所示。为了实现平顶光束成形，通常使用传统的GS算法来设计特定的相位轮廓以调制入射的高斯光束。然而，由于傅里叶透镜的存在，目标平顶光束和不希望出现的零阶光束都会被
结果与讨论
通过定量比较基于EGS的无透镜束成形方法生成的平顶光束的强度均匀性与传统基于透镜的GS算法生成的平顶光束的强度均匀性，系统地评估了该方法的可行性。模拟参数配置如下：入射波长设置为1030纳米。SLM的像素分辨率为1024×1272，像素大小为12.5微米。输入和输出平面都是
结论
在这里，我们提出了一种基于EGS算法的无透镜束成形系统，该系统用菲涅尔衍射积分替换了传统的傅里叶变换。所提出的系统实现了与传统基于透镜的方法相当的性能，同时有效地防止了零阶光束的聚焦。数值模拟显示平顶光束的均匀性为95.7%，能量效率为79.6%。实验光学测量确认了91.7%的光束均匀性，
CRediT作者贡献声明
陈文强：撰写——原始草稿，验证，软件，方法论，数据管理。毛建勇：验证，软件，方法论，数据管理。陈凯：正式分析。李迅：资源，调查。谭宇：验证。李明：监督，方法论。张雷：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB4601700）的财政支持。
