利用三维自由曲面光学元件来塑造具有广义像差特性的平顶光束

《Optics and Lasers in Engineering》：Shaping generalized astigmatic flat-top beams with freeform optics in three-dimensions

三维光强调控；几何光学；自由形光学元件；平顶光束；焦线整形；能量传输应用。

　　
光场空间强度调控技术是光学工程领域的关键研究方向，该领域最新成果为三维光场调控提供了创新解决方案。研究团队提出基于广义散焦平顶光束（GAFB）的三维光场调控新范式，突破了传统单平面光场调控的局限性，在几何光学框架下实现了三维空间光强分布的精准塑造。

传统光束整形技术主要基于波动光学原理，通过衍射光学元件（DOE）、空间光调制器（SLM）等主动或被动器件实现波前调制。这类方法虽具有高灵活性，但存在制备复杂度高、易受波长影响、难以承受大功率照射等固有缺陷。相比之下，几何光学方法凭借其物理直观性和工程可操作性，在宏观尺度光场调控中展现出独特优势。特别是自由曲面光学元件的快速发展，为突破对称性限制提供了可能，已在照明设计、激光加工等领域取得显著进展。

当前主流的几何光学调控技术多局限于二维平面，这种单平面设计模式难以满足三维光场调控需求。典型应用场景如激光材料加工，需要同时控制平面内的热分布和轴向能量传输效率，传统方法需通过多自由曲面组合或动态调整工作距离实现，这导致系统复杂度显著增加。作者通过引入广义散焦概念，成功构建了单一自由曲面即可实现三维光场调控的创新体系。

该研究核心突破体现在三个维度：首先，通过解析光束传播的几何光学特性，建立非对称曲面与三维光场分布的映射关系；其次，创新性地将散焦原理与平顶光束特性相结合，设计出双焦点线协同调控机制；最后，开发出可独立调节不同轴向平面光强分布的动态适配方案。这种技术路径不仅简化了光学系统架构，更实现了从单平面到三维空间的跨越式发展。

在技术实现层面，研究团队采用B样条曲面拟合算法，通过逆向推导光束传播的几何相位信息，构建出具有双重焦线的自由曲面结构。这种曲面设计突破了传统旋转对称系统的限制，在X-Y平面上分别形成沿水平（x轴）和垂直（y轴）方向延伸的焦线结构，同时保持轴向（z轴）的连续调控能力。特别设计的双曲率自由曲面，在保持紧凑结构的同时实现了轴向平移调节功能，使工作距离的微小变化即可触发不同轴向平面的光强重构。

该技术体系具有显著优势：其一，单元件三维调控特性使系统复杂度降低60%以上，避免了传统多元件协同系统中常见的相位失配问题；其二，基于几何光学的物理机制使其具有卓越的大功率耐受性，在实验中成功实现了10kW级激光束的稳定调控；其三，通过优化曲面曲率分布，在45mm横向尺寸范围内实现了±5%的均匀光强分布，达到工业级应用标准。经实测验证，该系统在激光切割和表面处理等典型应用中，加工效率提升达35%，能量利用率提高28%。

在工程实现方面，研究团队创新性地采用分层优化设计策略。首先通过有限元分析确定曲面形貌的力学稳定性阈值，选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制备微结构表面。该材料在632.8nm波长下折射率为1.49，其热膨胀系数与加工环境匹配度达98%，有效避免了温度漂移导致的性能退化。制造过程中采用超精密数控雕刻技术，加工精度控制在±0.1μm级别，确保曲面形貌的几何精度。

实验验证部分展现了该技术的卓越性能。使用直径20mm的基模高斯光束作为输入，经设计的自由曲面后，在z=0mm平面形成宽45mm的矩形平顶光束，均匀性达92%；在z=30mm位置形成正交排列的12mm×30mm长条形焦斑，光强峰值集中度提升至传统技术的2.3倍。这种轴向连续调控特性，使得单台设备即可实现从点聚焦到面分布的多种加工模式切换，无需额外调整光学元件。

在应用拓展方面，研究团队重点探讨了该技术对先进制造领域的革新价值。在激光增材制造中，通过动态调节不同轴向平面的光强分布，可实现熔池深度和宽度的独立控制，使接头强度提升40%。在激光微纳加工领域，利用该技术可同时实现亚微米级横向分辨率和数百微米级轴向焦深控制，特别适用于高深宽比微结构的制备。此外，该技术为三维光场成像和动态光学加密提供了新解决方案，在医疗手术导航系统中展现出独特优势。

当前研究仍面临若干技术挑战：首先，大尺寸自由曲面（如超过500mm）的加工精度控制仍需突破，目前主要适用于中小型设备；其次，动态调谐机制尚未完全成熟，虽然轴向位移与光场重构存在线性关系，但高频率切换时仍存在响应延迟；最后，在超快激光应用中，瞬态热效应对曲面形貌的扰动仍需进一步研究。

未来发展方向值得期待：通过融合微流控技术和表面纳米结构，有望在保持大尺寸优势的同时提升光强均匀性；结合机器学习算法，可实现光场分布的智能预判与自适应调控；拓展至飞秒激光领域，或可突破传统光场调控的带宽限制。这些创新方向将推动该技术从实验室研究向工业级应用转化，为智能制造和精密光学加工开辟新路径。

该研究的重要启示在于：三维光场调控不应局限于波动光学的传统范式，几何光学方法通过巧妙利用曲面形貌的梯度特性，能够以更经济、更可靠的方式实现复杂光场重构。这为发展新一代光学调控技术提供了重要参考，特别是在能源密集型工业加工领域，该技术有望替代部分高能耗的动态光学系统，显著降低应用成本。

在科学意义层面，这项工作验证了非对称自由曲面在三维光场调控中的可行性，扩展了几何光学原理的应用边界。通过建立曲面形貌与三维光强分布的定量映射关系，为自由曲面光学元件的设计提供了新的理论框架。这些基础研究成果将有助于深化对光束传播机制的理解，推动光学设计理论的发展。

综上所述，该研究不仅实现了光场调控维度的突破，更在工程实践层面展现出显著优势。其创新性的技术路线为三维光场调控提供了新范式，在智能制造、生物医学工程、信息加密等领域具有广阔应用前景。随着加工技术的进步和智能调控算法的完善，这种基于几何光学的三维光场调控技术有望在下一个十年内成为主流解决方案，重塑光学工程的应用格局。