Powell 透镜
什么是 Powell 透镜？
Powell 透镜是用于生成均匀强度激光线的光学元件。它们采用独特的圆柱非球面形状来实现这一目标。Powell 透镜用于机器视觉和流式细胞术等多种应用。
大多数激光器发射横截面形状为圆形或椭圆形的光束。光束的强度分布通常是高斯分布或非常接近高斯分布。这种高斯强度分布对于许多应用都是有益的。但在某些情况下，我们需要更加均匀的强度分布（通常称为“平顶”）。
有多种方法可以将高斯光束转换为均匀的强度分布（一维和二维）。最强大且最灵活的方式是基于 Powell 透镜。让我们看看为什么有时需要平顶光束、Powell 透镜的工作原理以及它相对于其他技术的优势。
高斯光束 – 优势与劣势
该图演示了圆形高斯光束。该光束的能量在中心位置比在边缘位置更高。高斯光束是大多数激光器背后的物理原理的自然结果，这就是它如此普遍的原因。
大多数激光器本身会产生具有高斯强度分布的圆形横截面光束，其中心比边缘亮得多。该图显示了均匀强度的圆形和方形光束以进行比较。
由于多种原因，高斯轮廓的光束通常比均匀强度光束（圆形或方形）更有优势。关键在于高斯光束可以比相同直径的均匀圆形光束聚焦到更小的光斑上。这在许多应用场合能够带来诸多便利。例如，在大多数材料加工应用场合，较小的聚焦光束能够提高产生微小特征的能力。在许多基于激光的显微技术中，较小的聚焦光斑能够提高图像分辨率。
但在某些情况下，情况恰恰相反，特别是当激光形成线束（长度大于宽度的光束）时。线束用于许多照明任务。照明任务需要均匀的强度，因为均匀地照亮场景或物体可以简化后续图像处理并增加图像的对比度和分辨率。
转换高斯光束
高斯光束的一个独特属性是，当使用传统光学器件对它们进行聚焦、扩展或以其他方式进行重塑时，它们会保持其高斯强度分布。实际上很难摆脱它的这一特性。
将高斯光束转换为具有均匀强度分布的光束的最简单和直接的方法是使光束穿过一个孔径，该孔径能够阻挡除光束的中心和最均匀部分之外的所有部分。这种方法有两个缺点。首先，很大一部分激光功率被浪费掉了（高达 75%）。其次，产生的光束仍然不十分均匀。
将高斯光束转换为均匀强度分布的光束的最简单方法是只选择光束的中心部分并丢弃其余部分。但这种方法产生的结果最差。
将高斯光束转换为平顶分布而不发出大量光线更加困难。但这可以通过衍射和折射技术来完成。
衍射光学器件的工作原理是在各种衍射级之间产生干涉，从而在空间上重新分布激光束中的光。这实际上可以产生几乎任何强度分布，包括平顶以及各种各样的轮廓。
衍射光学器件在产生均匀的线束方面存在两大缺点。首先，他们的效率不是很高。它们在不需要的衍射级损失了大量光。其次，它们通常对波长非常敏感。当将它们与半导体激光器一起使用时，这尤其成问题。
小透镜阵列是一种纯折射方法。这些光学器件包含多个透镜，每个透镜都比输入光束小得多。每个小透镜产生的输出轮廓在远场中重叠，从而产生所需的均匀强度分布。
柱面小透镜阵列的两种配置。
使用小透镜阵列很难在最终光束中实现高度均匀性。强光中通常存在大量的高频纹波。此外，小透镜阵列还需要专门的工具来生产，从而限制了它们在大批量应用中的实用性。
Powell 透镜
Powell 透镜是另一种类型的折射光学器件，它克服了衍射光学器件和小透镜阵列的局限性。Powell 透镜是一种非球面柱面透镜，专门用于高效地将高斯输入光束转换为具有均匀强度分布的发散光束。由于 Powell 透镜是一种柱面透镜，因此它仅在一维上使光束均匀化。
Powell 透镜
该图显示了 Powell 透镜表面的形状，并将其操作与传统柱面透镜的操作进行了比较。Powell 透镜将光线从光束中心重定向到边缘，以消除中心“热点”。这款柱面透镜还使光束在一维上呈扇形散开，但保留其高斯分布。因此，它产生的线束在中心比边缘位置亮得多。
Powell 透镜（左）与传统柱面透镜（右）之比较。两种光学器件都将圆形高斯激光束转换为发散光扇，在其投射的任何表面上形成一条线。Powell 透镜将光线从光束中心转移到边缘，以产生均匀强度的光束，而柱面透镜则保持光束的高斯分布，因此其光束在中心更亮。
Powell 透镜几乎在性能的各个方面都比衍射光学器件能够提供更卓越的结果。最重要的是，Powell 透镜效率更高（损失的光更少），并产生陡峭边缘的轮廓，在所需区域之外几乎没有光。
这款 Powell 透镜对输入波长也相当不敏感。这使得它可以与半导体激光器一起使用，因为它不受单位之间的波长变化以及这些光源的固有带宽和波长温度依赖性的影响。结果是，在光束均化器中通常可以在整个轮廓上实现 ±5% 的整体强度均匀性，而无需进行波长选择或对半导体激光器进行分档。
不过，Powell 透镜并非没有缺点。每个透镜都是针对特定的输入光束直径而设计的，对于较大或较小的光束不会产生最佳结果。它们在对准（在垂直于圆柱表面的轴上）方面也很敏感。未对准会降低投影线的强度均匀性。
了解 Powell 透镜规格
在 Powell 透镜上制造高精度的柱面非球面具有挑战性，而且 Powell 透镜的质量因制造商而异。这意味着在实际使用环境中，Powell 透镜的性能可能与其设计值有很大偏差。这使得了解如何阅读已发布的规格变得非常重要。
Powell 透镜的主要规格是其工作波长、预期输入光束直径（定义为 1/e² 强度点，因为输入光束是高斯光束）和输出光束扇形角。示意图中了显示这些数据。由于输出光束是均匀的，而不是高斯分布的，因此扇形角是在功率降至其峰值的 80%（而不是 1/ e² 功率点）时进行测量的。
Powell 透镜的主要标称规格是输入光束直径和输出光束扇形角。
通常，Powell 透镜的最重要性能参数是其强度均匀性。制造变化和公差效应可能会产生强度变化（特别是在光束边缘）、非平顶轮廓、周期性结构和散射。
屈光透镜扇形角通常是从强度降至峰值 80% 的点开始测量的。不同制造商对强度均匀性的规定不同。
大多数制造商使用上图中给出的公式定义强度均匀性。然而，他们通常仅将此规格应用于线束 80% 的中央部分（也在图中指出）。但排除光束边缘会产生不真实的实际性能图，因为这是不均匀性通常最明显的地方。
相比之下，Coherent 能够在整个线束长度上应用强度均匀性规格。这同样适用于我们提供的有关线束直线度和所含功率的规格（线束中包含的功率在 80% 和 1/ e² 峰值功率点之间）。这是一个更加严格且难以满足的规格。结果是 Coherent Powell 透镜能够提供更好的测量精度、信噪比和单元间一致性。